ZÁVĚREČNÁ ZPRÁVA O ŘEŠENÍ PROJEKTU VGA

Univerzita obrany Fakulta vojenských technologií Počet listů: 58

ZÁVĚREČNÁ ZPRÁVA O ŘEŠENÍ PROJEKTU VGA

Název projektu:

Diagnostická ústředna automatizovaný systém sběru dat u bezpilotního prostředku

Řešitel projektu:

por. Ing. Václav Křivánek

Řešitelský kolektiv:

kpt. por. por. por. por.

Ing. Ing. Ing. Ing. Ing.

Zbyněk Bureš, Ph.D. Pavel Čeleda Ivo Hrdlička Václav Křivánek Tomáš Mořkovský

Na projekt přiděleno celkem Kč:

150 000 Kč

BRNO 2004

Abstract Diagnostics central – automated system for collecting data in unmanned aerial vehicle. Design of bus topology in unmanned aerial vehicle (system with increased reliability) in relation to redundancy of key functions. Selection of sensory subsystem with usable base components and link to central processing unit. Measurement and acquisition of electric and non– electric quantities with intelligent sensors. Recording and compression of flight data to storage medium. Evaluation of experimental flight data of unmanned aerial vehicle in relation to quality of selected sensors.

Key words measurement of electric and non–electric quantities, UAV, unmanned aerial vehicle, avionics, GPS, digital compass, gyroscope, diagnostics, PC / 104, RTAI, Linux, CAN, CFC, H8S / 2600

Abstrakt Diagnostická ústředna – automatizovaný systém sběru dat u bezpilotního prostředku. Návrh sběrnicové topologie u bezpilotního prostředku (systém se zvýšenou spolehlivostí) s ohledem na zálohování klíčových funkcí. Volba senzorického podsystému s vhodnou součástkovou základnou a vazbou na hlavní řídicí systém. Měření a sběr elektrických a neelektrických veličin pomocí inteligentních senzorů. Záznam a komprimace letových dat na paměťové médium. Vyhodnocení experimentálních dat z letu bezpilotního prostředku s ohledem na kvalitu zvolených senzorů.

Klíčová slova měření elektrických a neelektrických veličin, bezpilotní prostředek, avionika, GPS, digitální kompas, gyroskop, diagnostika, PC / 104, RTAI, Linux, CAN, CFC, H8S / 2600

i

ii

Předmluva Předkládaná závěrečná zpráva o řešení projektu VGA shrnuje dvouletou práci na vývoji a realizaci diagnostické ústředny (DÚ). Tento materiál je pokračováním výroční zprávy o řešení projektu VGA za rok 2003. Statě, které byly důkladně diskutovány ve výroční zprávě již zde nebudou znovu opakovány v plném rozsahu, budou pouze shrnuty nejdůležitější poznatky a závěry. Závěrečná zpráva postihuje hlavní aspekty úkolu, cíle, způsoby a postupy řešení a výhledy dalšího pokračování v navazujících projektech na Univerzitě obrany. V prvním roce se řešitelé především zaměřili na vytvoření robustní koncepce DÚ, která by zajišťovala provozuschopnost UAV i v těch nejkritičtějších provozních podmínkách, a která by současně umožňovala další rozšiřování a modifikace jednotlivých dílčích podsystémů. V průběhu roku 2003 byly započaty první práce na realizaci vybraných částí DÚ. V druhém roce řešení grantového úkolu byla dořešena výstavba zbývajících částí DÚ, byl vytvořen funkční celek schopný komunikace mezi jednotlivými podsystémy. Největší pozornost pak řešitelé věnovali přípravě, provedení a vyhodnocení experimentu. Por. Mořkovský a por. Hrdlička ukončili v roce 2003 magisterský studĳní program. Por. Mořkovský odchodem ze školy opustil řešitelský tým, nepodařilo se za něj najít adekvátní náhradu. Por. Hrdlička přešel na interní doktorské studium, kde dále pokračuje na své práci v rámci DÚ. Problematika DÚ se ukázala natolik rozsáhlou a zároveň plodnou, že dala podnět k podání dalších dvou samostatných grantových přihlášek VGA na rok 2004. Vypsaná témata byla „Korekce bezkardanového systému orientace“ a „Zvýšení spolehlivosti operačních systémů pracujících v reálném čase“. Obě grantové přihlášky uspěly. Během července 2004 pobýval na Vojenské akademii v Brně francouzský student Florent LAPLANCHE z École Nationale Supérieure d’Ingéneurs ENSIETA, který se podílel na praktické realizaci bezkardanového systému orientace. Měl tak možnost uplatnit své teoretické znalosti ze studia při řešení konkrétního technického problému.

Na tomto místě bychom chtěli poděkovat Vnitřní grantové agentuře a sekci logistiky Univerzity obrany za jejich příkladnou pomoc při práci na grantovém úkolu. Potřebný materiál objednaný na začátku roku 2003 byl k dispozici řešitelům v lednu 2004. S objednávkami na rok 2004 je to podobné. Ani v době uzavření projektu větší část materiálu nebyla dodána a některé požadavky byly dokonce stornovány. Nebýt možnosti krýt část výdajů z projektu obranného výzkumu Záznam II. a shovívavosti dodavatelských firem, zůstal by celý projekt pouze na papíře.

iii

iv

Obsah 1 Výchozí stav

1

2 Formulace cílů projektu

1

3 Dosažené výsledky a poznatky

2

3.1

Specifikace měřených veličin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

3.2

Výškoměr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

3.2.1

Snímač dynamického tlaku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

3.2.2

Snímač statického tlaku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

Přĳímač GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

3.3.1

Přĳímač GPS GARMIN 16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

3.3.2

NMEA protokol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

3.3.3

Používané věty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

3.3.4

Konvertor dat GPS NMEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

Elektronický kompas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

3.4.1

Honeywell HMR3300 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

Bezkardanový systém orientace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

3.5.1

Snímače inerciální navigační soustavy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

3.5.2

Obvod zpracování signálů inerciální navigační soustavy . . . . . . . . . . .

10

3.5.3

Praktická realizace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

Komunikační sběrnice UAV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

3.6.1

Sběrnice pro víceprocesorové systémy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

3.6.2

Topologie sběrnice CAN v UAV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

Modulární struktura s pevně definovaným rozhraním . . . . . . . . . . . . . . . .

14

3.7.1

Jednočipové mikropočítače řady AVR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

3.7.2

Jednočipové mikropočítače řady H8S / 2600 . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

Centrální řídicí jednotka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

3.8.1

Procesorový modul MSM586SEV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

3.8.2

Modul sběrnice CAN PCM-3680 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

Operační systémy pracující v reálném čase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

3.10 Záznamník letových dat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

3.11 Experiment letiště Přerov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

3.11.1 Záznam dat během experimentu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

3.11.2 Vyhodnocení dat z GPS přĳímače . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

3.11.3 Vyhodnocení dat z gyroskopu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

3.3

3.4 3.5

3.6

3.7

3.8

3.9

4 Využití výsledků pro praxi a pro další výzkum

22

5 Publikace a další aktivity

22

6 Přehled nákupů z přidělených finančních prostředků

24

7 Závěr

26 v

Přílohy

29

A Literatura

30

B Seznam zkratek

32

C Výtah z grantové přihlášky

33

D Snímač dynamického tlaku

39

E Snímač statického tlaku

40

F Průběh práce na Diagnostické ústředne v roce 2003

41

G Průběh práce na Diagnostické ústředne v roce 2004

42

H Fotografie draku bezpilotního prosředku

43

I

44

Příspěvek na konferenci TD 2004 – DIAGON 2004

vi

1

1

Výchozí stav

V rámci projektu obranného výzkumu ZÁZNAM II. je vyvíjen bezpilotní prostředek (angl. UAV - Unmanned Aerial Vehicle). Tento bezpilotní prostředek je určen pro sběr informací o stupni poškození objektů na něž byl veden vzdušný úder a předání těchto informací řídícímu stanovišti. Pro efektivní vyhodnocení situace se předpokládá příjem informace od působícího prostředku, která umožní upřesnit čas a místo (objekt) palebného působení. Stěžejní informace o průběhu a výsledku palebného působení bude získávána z čidel různé fyzikální povahy umístěných v prostoru bojové činnosti. Získané informace budou na palubě bezpilotního prostředku předzpracovány a ve vhodném formátu a ve zvolený čas předány na pozemní stanoviště ke konečnému zpracování a vyhodnocení. Rozvoj technologií v oblasti aerodynamiky, mikroelektroniky, optiky a navigace na konci 20. století umožnil realizaci bezpilotních prostředků. Jsou relativně mladým druhem techniky, kde došlo v posledních dvaceti letech k bouřlivému rozvoji. Obecně je bezpilotní prostředek představován létajícím prostředkem bez lidské posádky. V armádě většinou nalézá využití v operacích, kde je nevhodné a riskantní vystavovat pilotované prostředky a jejich obsluhu nebezpečí, pro velmi pravděpodobnou možnost zničení. Malé rozměry umožňují nepozorovaně proklouznout do střežených a rizikových oblastí. Pro nižší náklady na výrobu a absenci lidského organismu je snadno postradatelný. Dlouhá doba letu na větší vzdálenost ho předurčuje k nasazení na dlouhodobé úkoly. Odpadá nutný čas pro regeneraci sil posádky. Úloha bezpilotních prostředků v armádě • transport, • vedení bojové činnosti, • podpora bojové činnosti, • podpora komunikace stanovišť, • zpravodajská činnost, dohled, průzkum, • cvičné cíle. Bezpilotní prostředky jsou mladou za to však dynamicky se rozvíjející oblastí letecké techniky. Aktivní použití v několika válečných konfliktech ukazují jejich slibnou budoucnost, kompletní rozsah možností jejich využití však zatím není zcela znám. Podle odborníků budou sehrávat mimořádně důležitou roli v moderním boji. Jsou zaváděny a používány ve většině vyspělých armád. Existují i názory, že v době, která není zas tak vzdálená, již nebudou existovat žádné pilotované letouny a všechny vzdušné operace převezmou právě autonomní létající prostředky. Každá moderní armáda, mezi něž se chce řadit i Armáda České republiky, se musí zabývat nejen taktickým použitím UAV, ale i jejich konstrukcí. V této oblastí již od samého počátku vývoje dominují především Spojené státy a Izrael.

2

Formulace cílů projektu

V době podávání přihlášky o grant VGA 2003 „Diagnostická ústředna – automatizovaný systém sběru dat u bezpilotního prostředku“ nebyla ještě zdaleka ucelena představa o konečné podobě a všech požadavcích na bezpilotní prostředek. V průběhu řešení byly klíčové parametry bezpilotního prostředku dopřesněny. Pochopitelně jak na K–263 (K–301), tak ani na K–269 (K–303) nebyly žádné konkrétní zkušenosti s výstavbou bezpilotního prostředku. Byly nutné konzultace s katedrami specializací na Vojenské akademii v Brně. Přesto se bylo možné opřít o zkušenosti získané z konstrukce jiných

2

3

DOSAŽENÉ VÝSLEDKY A POZNATKY

zařízeních založených na jednočipových mikropočítačích (JM) a programovatelných logických obvodech (FPGA – Field Programmable Gate Arrays). Hlavní body, které jsme si stanovili pro řešení projektu v rámci VGA, byly následující. Cíle roku 2003 • specifikace měřených veličin, jenž jsou podstatné pro řízení UAV, • nalezení vhodných měřicích metod a vhodných snímacích prvků, • nalezení vhodných vyhodnocovacích metod, • aplikace metod na navržený model, • návrh vhodné komunikační sběrnice pro předávání krátkých zpráv v rámci UAV, • vytvoření bezkardanového systému orientace. Cíle roku 2004 • montáž senzorů na palubu UAV, • záznam komunikace na sběrnici, • komprese ukládaných dat, • zkušební provoz. Relevantní část grantové přihlášky je přiložena k této zprávě jako příloha C. Autoři použili některá témata DÚ pro zadání několika diplomových prací. V roce 2002 / 03 se jednalo o práce „Bezkardanový systém orientace pro bezpilotní letoun [20]“ a „Řešení vnitřní sběrnice bezpilotního prostředku s využitím rozhraní CAN-Bus [27]“. V roce 2003 / 04 to bylo téma „Dálkové řízení mobilního autonomního prostředku pomocí GPS a bezdrátového spoje [25]“ a pro rok 2004 / 05 „OS Linux RTAI pro řízení mobilního autonomního prostředku“. V souvislosti s problematikou bezpilotního prostředku byla také stanovena dvě témata disertačních prací „Aktivní diagnostika řídicího systému“ a „Zvýšení spolehlivosti a diagnostika operačních systémů pracujících v reálném čase“.

3

Dosažené výsledky a poznatky

Následující text závěrečné zprávy pojednává o výsledcích dosažených pří návrhu a realizaci jednotlivých částí DÚ za celou doby řešení projektu VGA.

3.1

Specifikace měřených veličin

Výchozím bodem při návrhu architektury libovolného systému je analýza požadavků, které je nutné splnit, aby bylo možné nalézt optimální řešení zkoumaného problému. Zde můžeme uplatnit jednu ze dvou základních metod přístupu [22]. První metoda předpokládá expertní znalost navrhovaného systému umožňující vytvoření finální koncepce již v samotném prvopočátku návrhu. Druhá metoda je založena na postupné realizaci klíčových prvků a vytvoření znalostní báze umožňující nalezení cílového řešení. V obou případech jsou kladeny vysoké nároky na teoretické a praktické znalosti zkoumané problematiky nutné k navržení celkové koncepce řešení. Nedílnou součást též tvoří zvládnutí fyzické realizace s dostupnou součástkovou základnou a programovým vybavením. U komplexních systémů, kam zajisté spadá i konstrukce UAV, často nelze předem shromáždit potřebnou bázi informací nutnou k popsání chování celého systému (např. fyzická konstrukce draku, vlastnosti pohonů, aerodynamické vlastnosti, užitečná zátěž, příkon avioniky atd.), což bylo důvodem použití druhé metody.

3.1

Specifikace měřených veličin

3

Start i přistání UAV je prováděno operátorem z pozemního stanoviště pomocí bezdrátového řízení. Vlastní let a plnění úkolu mise musí být zcela autonomní s minimální komunikací s pozemním personálem. U bezpilotního prostředku lze identifikovat následující podsystémy: 1. senzorický – zajišťuje monitorování stavu UAV a zprostředkovává vazbu s okolím, obsahuje čidla a senzory, 2. motorický – zahrnuje všechny části, které se podílejí na pohonu bezpilotního prostředku, 3. autopilot – obsahuje prvky pro stabilizaci pohybu UAV, 4. diagnostický – monitoruje chování UAV, hodnoty význačných provozních signálů porovnává s referenčními hodnotami a o výsledku zpravuje řídicí podsystém UAV, 5. palubní síť – její součástí jsou všechny prvky zapojené do procesu výroby, úpravy a distribuce napájecího napětí, 6. řídicí – uchovává v sobě úkol mise a podle něj řídí chování UAV, 7. komunikační – umožňuje obousměrnou komunikaci s pozemním stanovištěm, 8. záznamník letových dat – zaznamenává data o průběhu letu letounu, 9. aplikační SW a HW – rozšiřující zařízení (kontejner) realizující vlastní úkol mise UAV, 10. řízení sběrnice CAN – organizuje předávání zpráv mezi jednotlivými podsystémy. Blokové schéma celého bezpilotního prostředku spolu se vzájemnými vazbami na jednotlivé podsystémy je na obr. 1. Diagnostickou ústřednu v takto organizované struktuře tvoří senzorický podsystém, záznamník letových dat, řízení sběrnice CAN a některými funkcemi je sem zařazen i diagnostický podsystém. DÚ nemá za cíl provádět jakoukoliv diagnostiku, ale má pouze shromažďovat a předzpracovávat informace pro vyhodnocovací jednotku diagnostického systému. Autoři si ve svých cílech vytkli i zaobírat se vazbou DÚ na řídicí systém UAV, neboť problematika řízení UAV nebyla prozatím řešena. Ukázalo se nutným zvolit již v počátcích práce na UAV pevnou topologii s předem danými vazbami mezi jednotlivými systémy. Získané poznatky jsou uvedeny taktéž v této zprávě. Pro část autonomního letu je třeba dodávat kontinuálně do autopilotu a řídícího subsystému následující letová data: • • • •

výška, rychlost, orientace v prostoru, geografické souřadnice.

Dalším zohledňujícím faktorem byl drak malého bezpilotního prostředku, který je koncipován jako model letadla v hornoplošním uspořádání o hmotnosti 12 kg, délce 2,18 m a rozpětí 2,8 m. Poháněn je benzínovým spalovacím motorem s čerpadlem. Užitečná zátěž je přibližně 1 – 2 kg. Napájení elektrických systémů zajišťují akumulátory. V návrhu topologie bezpilotního prostředku bylo nutné zohlednit i aspekt spolehlivost jednotlivých komponent a přistoupit k zálohování klíčových funkcí. Použití některých čidel se může zdát na první pohled zbytečné, autoři se však snažili docílit vysoké provozuschopnosti i v nepříznivých podmínkách. V průběhu práce na projektu VGA se řešitelé zabývali konstrukcí následujících prvků senzorického podsystému: • • • • •

výškoměr, přĳímač GPS, magnetický kompas, snímač inerciální navigační soustavy, obvod zpracování signálů inerciální navigační soustavy.

4

3


Motorický podsystém

Inerciální navigační soustava

Pohonové elektromotory

Kompas

Řízení servopohonů

GPS

Výškoměr

Diagnostický podsystém

Sběrnice řízení, CAN BUS

Senzorický podsystém

Autopilot

Řídicí podsystém

Aplikační sběrnice

Diagnostická ústředna

Komunikační podsystém

Záznamník letových dat

Palubní síť

Řízení sběrnice CAN

Aplikační SW & HW

Obr. 1: Bloková struktura bezpilotního prostředku

3.2

Výškoměr

Při výběru vhodného výškoměru jsme zvažovali nákup hotového produktu dostupného na trhu nebo konstrukci vlastního zařízení. Po zvážení jednotlivých nabídek jsem se rozhodli pro vývoj vlastní pitotovy trubice. Pitotovu trubici tvoří konstrukce aerodynamického válcového tvaru z lehkého materiálu a snímač dynamického a statického tlaku. Funkce pitotovy trubice se částečně překrývá s informacemi, které nám poskytuje přĳímač GPS. Mohlo by se tak zdát, že jde o nadbytečnou redundanci. Z přĳímače GPS získáváme informaci jak o nadmořské výšce, tak i o rychlosti vzhledem k zemskému povrchu. Pro řízení UAV je ovšem nezbytné znát především relativní rychlost vůči obtékanému proudu vzduchu, proto je použití pitotovy trubice nezbytné. 3.2.1

Snímač dynamického tlaku

Jako snímač dynamického tlaku jsme zvolili senzor DC002NDC4 [17] společnosti Honeywell pro jeho vhodné vlastnosti v naší aplikaci. Je určený především pro průmyslové nasazení, kde je

3.3

Přĳímač GPS

5

vystavován náročným provozním podmínkám (změna teploty, kolísání napájecího napětí apod.). Měří rozdíl tlaku až do hodnoty 500 Pa. Chování senzoru jsme ověřili kontrolním měřením pomocí vodního sloupce, viz příloha D. Podle pokynů výrobce se výška určí následujícím vztahem s

Vi =

√ 2 · 9,80665 · uV = 14,25 · uV −2 1,225 · 7,874 · 10

[m · s−1 ]

(1)

kde uV [V] je hodnota napětí na výstupu senzoru. 3.2.2

Snímač statického tlaku

Snímač statického tlaku XCA415AN [19] je taktéž od firmy Honeywell. Má podobné vlastnosti jako výše uvedený snímač dynamického tlaku. Měří tlak v intervalu 14 kPa až 104 kPa. Jeho naměřená charakteristika je v příloze E. Hodnota výšky se určí následujícím vztahem 

Hm = 44330,77 · 1 −

10−2

uH + 2,262344 · u0 + 2,262344 · 10−2

!0,1902632  

[m]

(2)

kde u0 [V] je napětí senzoru v nulové (referenční) výšce, uH [V] napětí senzoru v aktuální výšce. Z tohoto vztahu jasně vyplývá požadavek na konstruované zařízení, je nezbytné změřit a zaznamenat hodnotu tlaku v místě startu a k ní vztahovat veškeré výpočty. Vyhodnocovací program v jednočipovém mikropočítači snímá hodnoty z obou tlakových senzorů s periodou 720 µs. Po změření 14 vzorků vyloučí nejmenší a největší hodnotu, určí průměrnou hodnotu a vypočítá fyzikální hodnotu měřené veličiny. Výsledná hodnota je předána řídicímu systému UAV každých 100 ms. Pokusili jsme se aproximovat vztah pro výpočet výšky polynomem 2. řádu, abychom zkrátili dobu výpočtu. Polynom 2. řádu vykazoval nejmenší odchylku od původního průběhu. Přesto pro nulovou výšku tato odchylka činila +70 m. Přistávací manévr je nejnáročnější částí letu, a proto vyžaduje nejpřesnější data. Z toho důvodu jsme byli nuceni navrátit se k původnímu výpočetně náročnému vztahu pro určení výšky.

3.3

Přĳímač GPS

GPS je navigační systém, který je primárně určen pro potřeby armády USA, která ho poskytla k volnému použití ostatním subjektům. Systém je tvořen 25 umělými družicemi Země. Družice obíhají ve výšce přibližně 20200 km po kruhových drahách ve sklonu 65◦ s oběžnou dobou přibližně 12 hodin. Družice vysílají navigační signály. Pozemní přĳímač, vybavený příslušnou elektronikou, může tyto signály zachytit a vypočítat z nich svou aktuální polohu (zeměpisnou šířku a délku, nadmořskou výšku atd.). Příjem signálu z družice vyžaduje přímou viditelnost. Principy systému GPS jsou dobře publikovány v mnoha odborných materiálech. Podrobně se navigačním systémem zabývá např. [9, 21]. Systém GPS je v této kapitole rozebrán spíše z aplikačního hlediska pro potřeby DÚ. Systém GPS je jedním z nejdůležitějších systémů UAV. Je využit pro lokalizaci polohy letounu v prostoru, poskytuje data centrálnímu počítači pro výpočet plánovaného letu a jeho uskutečnitelnost. Data z GPS jsou využita pro korekci a verifikaci elektronického kompasu a výškoměru. V neposlední řadě slouží pro synchronizaci palubního času. V průběhu práce na DÚ byly použity dva typy navigačních přĳímačů: • GPS GARMIN 35 [30], • GPS GARMIN 16 [13].

6

3

3.3.1


Přĳímač GPS GARMIN 16

Základní parametry aplikačního přĳímače GPS 16: • běžná navigační přesnost systému Standard Positioning Service (SPS), • malé rozměry, snadná montáž na kovové povrchy (vestavný magnetický úchyt), • výkonný dvanáctikanálový přĳímač s rychlým zorientováním a malým příkonem, • podpora diferenčního DGPS s využitím WAAS nebo RTCM zpřesňující určení polohy na tři až pět metrů, • záloha dat vestavěnou baterií, • není potřeba provádět počáteční uživatelské nastavení, • podpora 2D a 3D navigace volitelná uživatelem, • dva sériové komunikační kanály s možností nastavení přenosové rychlosti do 38400 Bd, • výstup signálu přesného času jedné sekundy s možností nastavení šířky tohoto impulsu od 20 do 980 ms, • napájecí napětí může být v rozsahu 3,6 V až 6 V, • programové vybavení v přĳímači může být modifikováno novější verzí. Přesnost přĳímače: • GPS SPS – přesnost určení pozice < 15 metrů, • DGPS (USCG / RTCM) – přesnost určení pozice 3 až 5 metrů, • DGPS (WAAS) – přesnost určení pozice < 3 metry. Četnost vysílaných dat je pětkrát za sekundu. 3.3.2

NMEA protokol

Protokol NMEA používá většina GPS přístrojů. Protokol slouží jak k ovládání GPS přĳímače tak i k přĳímání navigačních dat. V následujícím výpisu obr. 2 je uveden výstup z přístroje Garmin 35–LVS. Výpis obsahuje kompletní množinu vět, kterou je tento přístroj schopen vytvářet. Věty obsahují informace o poloze, rychlosti, směru, dostupných družicích atd. Význam vět je uveden v dokumentu [30]. Všechny věty se skládají z identifikačního slova $XXXX, proměnných oddělených čárkou a kontrolního součtu, který je zapsán za znakem „?“. Kontrolní součet je vytvořen pomocí logické operace XOR aplikované na všechny znaky s výjimkou prvního „$“ a posledního „?“ znaku. Věta je ukončena znaky a . $GPRMC,134404,V,4805.3270,N,01613.9594,E,000.0,000.0,090104,002.2,E*60 $GPGGA,134404,4805.3270,N,01613.9594,E,0,00,,,M,,M,,*50 $GPGSA,A,1,,,,,,,,,,,,,,,*1E $GPGSV,3,1,11,01,00,299,,02,27,308,,03,11,277,,04,00,037,*75 $GPGSV,3,2,11,15,33,213,,16,54,297,,17,11,045,,18,18,149,*7D $GPGSV,3,3,11,21,77,148,,25,19,226,,30,14,144,,,,,*49 $PGRMV,,,*72 $PGRME,,,,,,*4D $GPVTG,,T,,M,,N,,K*4E $PGRMF,,,,,,,,,,A,0,,,,*13 $LCGLL,,,,,134404,V $LCVTG,,T,,M,,N,,K $PGRMB,-1.0,0,-1,0,,K*1F

Obr. 2: Záznam GPS zpráv ve formátu NMEA

3.3

Přĳímač GPS

3.3.3

7

Používané věty

Při práci s GPS přĳímačem jsou využívány dva typy vět. Prvním typem jsou věty pro nastavení přĳímače a druhým typem jsou věty využívané pro přenos dat z přĳímače. Věty pro nastavení GPS přĳímače Pro nastavení GPS přĳímače se využívají věty PGRMO a PGRMC. Věta PGRMC slouží pro nastavení základních parametrů GPS přĳímače. Nulové pole v konfigurační větě znamená zachování stavajícího nastavení daného parametru. Na obr. 3 je znázorněno nastavování přenosové rychlosti sériového kanálu.

$PGRMC,,,,,,,,,,5, <10> Přenosová rychlost 5 - 19200

Obr. 3: Nastavení přenosové rychlosti sériového kanálu Změna přenosové rychlosti sériového kanálu se projeví až po znovuzapnutí GPS přĳímače. Po nastavení sériového kanálu je zapotřebí nastavit i výstupní zprávy. Výstupní zprávy se nastavují pomocí věty $PRGMO. V první fázi je nutné vypnout všechny výstupní zprávy a následně povolit pouze ty, které jsou zapotřebí. Celý postup nastavení GPS přĳímače je zachycen ve výpisu na obr. 4. $PGRMC,,,,,,,,,,5, $PRGMO,,2 $PRGMO,GPRMC,1 $PRGMO,PGRMV,1

Obr. 4: Nastavení GPS přĳímače

Věty pro přenos dat z GPS přĳímače Pro přenos dat z GPS přĳímače se využívají věty GPRMC a PGRMV. Ve větě GPRMC jsou uvedeny základní informace o poloze a směru pohybu. Více informací je znázorněno na obr. 5. $GPRMC,134404,V,4805.3270,N,01613.9594,E,000.0,000.0,090104,002.2,E*60 Mgn. variace

UTC čas ve formátu hhmmss

Magnetická odchylka 0-180°

A - platná pozice, V neplatna pozice

UTC datum ve formátu ddmmrr

Zeměpisná šířka ssmm.mmmm

Azimut pohybu 0 - 360°

Zemská polokoule N - severní, S - jížní

Rychlost nad zemí 0.0 - 999.9 uzlů

Zeměpisná délka ssmm.mmmm Zemská polokoule W - západní, E - východní

Obr. 5: Věta GPRMC Ve větě PGRMV jsou uvedeny pouze rychlosti v jednotlivých osách (X, Y, Z). Bližší popis je znázorněn na obr. 6.

8

3


$PGRMV,1.0,0.5,0.0*72 Rychlost vztažená k východu -999.9 až 9999.9 Rychlost vztažená k severu -999.9 až 9999.9 Rychlost stoupání -999.9 až 9999.9

Obr. 6: Věta PGRMV 3.3.4

Konvertor dat GPS NMEA

GPS moduly se připojují pomocí sériového kanálu. Přenosovou rychlost GPS přĳímače je možné volit v rozsahu 1200 až 19200 Bd v některých případech až 38400 Bd. Logické úrovně přenášených signálů mohou být jak v logice TTL tak i RS232 (záleží na typu přĳímače). Použitý GPS přĳímač (Garmin 16A) má rozhraní RS232 s maximální přenosovou rychlostí 38400 Bd. Poněvač celá DÚ komunikuje výhradně po sběrnici CAN, bylo nezbytné vybavit přĳímač GPS oddělovacím mikropočítačem, který zde zastupuje konvertor protokolu GPS NMEA na sběrnici CAN. Mikropočítač dále provádí testování přĳímače GPS, separaci načtených dat z GPS a následné odeslání po sběrnici CAN. Řídicím prvkem konvertoru dat je jednočipový mikropočítač Hitachi H8S / 2638. Program v jednočipovém mikropočítači provádí následující úkoly: • • • •

inicializace přĳímače GPS, spuštění testovacího časovače (test zda data dorazí do 1,25 s), při příchodu datového paketu se provede načtení a vynulování testovacího časovače, pokud dojde k přetečení testovacího časovače, pak je situace považována za havarĳní a dochází k nové inicializaci napájecího napětí pro GPS přĳímač a nové inicializaci GPS přĳímače, • pokud paket došel nepoškozený, pak je analyzován a překódován do formátu vhodného pro přenos po sběrnici CAN. V závislosti na použitém technickém vybavení lze připojit GPS přĳímač přímo na sériové rozhraní centrální řídicí jednotky. Odpadá nutnost použití převodníku dat z GPS na sběrnici CAN. Funkce jednočipového mikropočítače je nahrazena procesem spuštěným v rámci řídicí jednotky.

3.4

Elektronický kompas

Elektronický kompas pracuje na základě magnetorezistivního jevu, ten se projevuje u materiálů, které mění svůj odpor za jistých podmínek v závislosti na magnetickém poli, resp. jeho orientaci. Existují dva typy těchto senzorů: • AMR – anisotropic magnetoresistive, • GMR – giant magnetorezistive. AMR mají větší citlivost, a proto se většinou v elektronických kompasech používá právě tento typ. 3.4.1

Honeywell HMR3300

Honeywell HMR3300 je tříosý elektronický kompas složený ze tří magnetorezistivních senzorů jejichž přesnost určení kursu je kompenzována výpočty založenými na hodnotách ze zabudovaného akcelerometru. Přesnost kursu při náklonu 0◦ ÷ ±30◦ je 1,5◦ a pro náklon 30◦ ÷ ±60◦ je 3◦ . Použitím akcelerometru ve funkci inklinometru umožňuje elektonickému kompasu určovat

3.5

Bezkardanový systém orientace

9

příčný náklon a podélný sklon s přesností 0,4◦ pro náklon 0◦ ÷ ±30◦ a s přesností 1◦ pro náklon 30◦ ÷ ±60◦ . Výstupní hodnoty jsou počítány 8-krát za sekundu. Komunikace probíhá pomocí rozhraní RS232 rychlostí až 19200 Bd nebo pomocí SPI rozhraní. Rozměry jsou 25,4 x 36,8 x 11 mm. Váha je 7,5 g. Pracovní teplota elektronického kompasu je - 40 až + 85◦ C. S elektronickým kompasem je možné komunikovat pomocí proprietárního protokolu. Protokol je textově orientovaný. Při komunikaci se využívají věty (příkazy). Věta začíná znakem „?“ a končí znaky . Pro předávání informací o azimutu, stoupání a náklonu je využívána věta z obr. 7. *azimut,stoupání,náklon náklon 0,0° až ±60,0° stoupání 0,0° až ±60,0° azimut 0,0° až 359,9°

Obr. 7: Informace o směru Podrobnosti o elektronickém kompasu HMR3300 jsou uvedeny v katalogovém listu [18].

3.5


Pro funkci bezpilotního prostředku je nezbytné znát přesně polohové úhly (orientaci, úhly natočení vůči referenčnímu souřadnicovému systému). Tato informace umožňuje prostředkům pohybovat se požadovaným směrem a vykonávat zadanou funkci. Naším cílem bylo vytvořit bezkardanový systém orientace letounu. Následující text zahrnuje popis použitých snímačů a obvodu zpracování signálů inerciální navigační soustavy. 3.5.1

Snímače inerciální navigační soustavy

V projektu byly použity inerciální senzory: snímače úhlové rychlosti a akcelerometry. Akcelerometry měří zrychlení vzhledem k inerciální soustavě, což zahrnuje mimo lineárního i gravitační a rotační zrychlení. Měřiče úhlové rychlosti měří rychlost rotačního pohybu. U vibračního piezoelektrického snímače úhlové rychlosti je sériový piezoelektrický bimorf rozkmitán ve vertikálním směru. Otáčení snímačem vyvolá Coriolisovu sílu, která bimorf horizontálně vychylý. V projektu DÚ byl použit produkt společnosti Murata ENC–03J [15], který měří úhlové rychlosti v rozsahu ±300◦ /s. Má rozměry 15,5 x 8 x 4,3 mm. Výstup je ve formě analogového napětí přímo úměrný měřené úhlové rychlosti se strmostí 0,67 mV◦ /s. Výrobcem je garantována 5 % linearita v celém rozsahu měření. U kapacitního akcelerometru je výstupní signál odvozen od měnící se kapacity, která je způsobena posunem hmoty a tím i změnou geometrie rozměrů kondenzátoru. Vodivé závaží je uchyceno na obou stranách pružinami k základně senzoru. Kolmo na jádro jsou připevněny vodivé (středové) desky, které jsou pevně umístěny symetricky po obou stranách hranolu tvořícího závaží. Středové desky leží mezi párem vodivých elektrod symetricky po obou stranách, dohromady tak tvoří kapacitní dělič. Každá z elektrod je připojena na harmonický signál stejné amplitudy, ale opačné polarity s typickou frekvencí 1 MHz. Pokud není přítomna vnější síla, obě dílčí kapacity jsou přibližně stejné a na středové desce bude 0 V. Při působení zrychlení se středová deska vychýlí spolu s hranolem blíže k jedné z elektrod a tím se poruší rovnováha kapacit, na středové desce je možné detekovat napětí. Akcelerometry se zpětnou vazbou využívají vzniklý signál k dosažení nové rovnováhy kapacitního děliče.

10

3


Použili jsme snadno dostupný, příkonově nenáročný, dvouosý akcelerometr od společnosti Analog Devices ADXL202 [2]. Snímač je realizován jako kapacitní akcelerometr bez zpětné vazby vyrobený technologií MEMS. Měří v rozsahu ±2 g ve dvou osách svírajících úhel 90◦ . Je citlivý jak na dynamickou (např. vibrace) tak i na statickou akceleraci (např. gravitace). Naměřené hodnoty jsou kódovány pomocí šířkově pulzní modulace, střída je přímo úměrná velikosti zrychlení. Opakovací perioda je nastavitelná pomocí rezistoru v rozsahu 0,5 ms až 10 ms. 3.5.2

Obvod zpracování signálů inerciální navigační soustavy

Řešení spočívá v numerické integraci změn natočení os v některou z metod reprezentace orientace. Použít lze jednak metodu směrových kosínů nebo kvaterniony. Rozhodli jsme se pro kvaternyony především pro jejich nenáročnost na složité matematické operace. Podrobný popis obou metod a jejich vlastnosti je uvedený v [20]. Zde budou uvedeny jen nejdůležitější vlastnosti kvaternionů. V roce 1843 vytvořil sir William Rowan Hamilton, profesor astronomie na Trinity College v Dublinu, matematickou strukturu, kterou pojmenoval kvaterniony (angl. Quaternions). Q = q0 + q1 · i + q2 · j + q3 · k

(3)

Kvaterniony jsou rozšířením dvourozměrné množiny komplexních čísel do čtyř rozměrů. Jedná se o podmnožinu hyperkomplexních čísel. Kvaternion obsahuje jednu složku reálnou a tři imaginární. Pro kvaterniony je charakteristický vztah 4. i2 = j 2 = k 2 = i · j · k = −1

(4)

Jednoduchost, s kterou se pomocí těchto čísel provádí rotace, je předurčují k možnosti reprezentace orientace. Pro výpočet změny natočení os lze odvodit vztah 5. 1 Q˙ = · Q · ΩL 2

(5)

Úhlové rychlosti jsou výkonnému procesoru zasílány z měřičů úhlových rychlostí v předem stanovených intervalech. Převedou se na kvaternion a pomocí vztahu 5 zpracují. Použitím Eulerovy metody 7 jsou numericky integrovány. Je-li zadána diferenciální rovnice 6 dy = f (x, y), dx

y(x0 ) = y0

(6)

pak Eulerova numerická metoda řešení diferenciálních rovnic je 7 yi+1 = yi + h · f (xi , yi ),

i = 0, 1, 2, . . .

(7)

Výsledky je možné považovat za správné pouze v prvních okamžicích po spuštění vlastního výpočetního procesu. Použitím numerických metod řešení diferenciálních rovnic dojde k chybám způsobeným konečností kroku h. Tento problém lze minimalizovat použitím lepších metod pro řešení numerické integrace jako Rungových–Kuttových metod, kdy se prokládají snímané hodnoty polynomem a zmenšením kroku. Na druhou stranu však vzroste výpočetní náročnost. Daleko závažnějším problémem, stejně jako ve všech fyzikální aplikacích, je šum superponovaný na signálu měřeném snímači. Signál zatížený chybou po integraci výrazně ovlivní hodnotu výsledné odhadované orientace. Pro tento případ se používají stochastické filtry založené na znalosti vzájemné korelace náhodných jevů. Nejznámější jsou filtry Wiennerův a Kalmanův. Ty jsou ovšem založeny na předpokladu znalosti spektrálních charakteristik procesů, které v praxi nemusí být známé. Jiným druhem filtru je tzv. filtr komplementární. Princip spočívá na více

3.5


11

nezávislých měřeních stejného signálu. Charakteristický je součtem přenosových funkcí dílčích filtrů, který je jednotkový. F1 (s) + F2 (s) + . . . + Fn (s) = 1 (8) U komplementárních filtrů nedochází k útlumu ani zesílení signálu na žádné frekvenci. Například u filtru složeného z dvou měření signálu je v některých případech možné jednotlivé dílčí filtry označit jako dolní propust a horní propust. Pro korekci je použito signálu z akcelerometrů z jejichž trojice lze zjistit směr působení gravitační síly na prostředek. Vektor gravitace by měl v klidu směřovat do středu země. Qk = Qz · Qy · Qx (9) Korekční signál, založený na výpočtu odchýlení vektoru gravitace, přes zpětnou vazbu ovlivňuje příčný náklon a podélný sklon. Nemá však vliv na kurs, který provádí rotaci kolem osy Z a je na obrázku 8 označován indexem Z.

Akcelerometry [ax , ay , az ] Qz

Qa

Qz · Qa

proj Z

Qk + −

K

Q˙ =

1 2

· Q · ΩL

+ +

R

Q kQk

Q

ˇ riˇce úhlových rychlostí Meˇ Ω = [0, ωx , ωy , ωz ] Obr. 8: Výpočetní blok bezkardanového systému orientace

3.5.3

Praktická realizace

Inerciální senzory byly usazeny na přípravku tak, že tři měřiče úhlových rychlostí a dvě pouzdra s akcelerometry tvořili s navzájem kolmými osami citlivosti ortogonální soustavu. Přípravek je pomocí kabelu napojen do desky s jednočipovým mikropočítačem, jehož úkolem je předzpracovávat signály. Signál z měřičů úhlových rychlostí v podobě napětí převádí A / Č převodník desky na numerickou hodnotu. Mikropočítač načte hodnotu z akcelerometrů kódovanou šířkově pulzní modulací. Trojice úhlových rychlostí a trojice hodnot zrychlení tvoří datový blok, který je každých 100 ms posílán po sériové lince k výkonnému procesoru pro další zpracování. Mikropočítač hodnoty získané z akcelerometru předzpracovává pomocí filtru. Používá se medián z 15 vzorků, který by podle dostupné literatury měl vykazovat nejlepší výsledky a nejlépe odstraňovat špičky.

12

3


Pro mikropočítač provádějící čtení hodnot ze senzorů a předzpracování pomocí mediánového filtru je vytvořen software v jazyce C s překladačem Keil C–51. Pro výkonný procesor, který byl představován stolním počítačem, a prováděl další jednoduché filtrace, vlastní výpočet a grafický výstup byl vytvořen software v jazyce C pro překladač MS Visual C++.

Obr. 9: Model letounu zobrazující vypočítanou orientaci Součástí vytvořeného softwaru jsou funkce pro provedení počáteční kalibrace a knihovna pro vizualizaci vypočítané orientace. Orientace je prezentována pomocí modelu letounu (viz obr. 9), umělého horizontu a výpisu úhlů natočení kolem jednotlivých os. Při praktických testech byla ověřena funkčnost navrženého a výše popsaného řešení. Současná realizace však neposkytuje kompletní orientaci, jelikož úhel natočení vůči ose směřující ke středu země označovaný jako kurs by vyžadoval další signál, který by byl použit pro jeho korekci. Popisované nedostatky však nejsou problémem pro aplikaci tohoto řešení v bezpilotním prostředku, jelikož pro řízení jeho směru budou použity hodnoty z GPS. V případě potřeby lze pro problém kursu využít další typ senzoru, např. magnetometr.

3.6

Komunikační sběrnice UAV

Cílem této části projektu bylo nalézt vhodnou řídicí sběrnici pro bezpilotní prostředek, návrh topologie a systému zpráv. První část zahrnovala analýzu v současné době používaných sběrnic pro víceprocesorové systémy. Každá z dostupných technologií má své klady a zápory, a proto je vhodná pro jiný typ úlohy. Na základě požadovaných kritérií bylo nutné uvážit a stanovit základní množinu parametrů, které by měla výsledná sběrnice dosahovat. Studiem technické dokumentace jednotlivých sběrnic byla na závěr vybrána jako optimální sběrnice CAN (Controller Area Network). Následně došlo k vytvoření topologie a přiřazení priorit mezi jednotlivými uzly bezpilotního prostředku. Funkčnost zvoleného řešení byla ověřena programovou simulací komunikace jednotlivých uzlů uvnitř bezpilotního prostředku.

3.6 3.6.1

Komunikační sběrnice UAV

13

Sběrnice pro víceprocesorové systémy

Pro aplikaci sběrnice v bezpilotním prostředku jsme hledali sběrnici / rozhraní popisující fyzickou a linkovou vrstvu. Protokoly vyšších vrstev referenčního modelu OSI–RM ke komunikaci mezi uzly není nutné využívat. Během rozhodování bylo potřebné uvážit podporu výrobců, dostupnost, cenovou náročnost a možnosti technologie směrem do budoucnosti. Při výběru jsme vycházeli z následujících sběrnic: • SMBus – System Managment Bus, • SPIBus – Serial Peripheal Interface Bus, • sériová linka (RS232, RS422, RS485), • CAN Bus – Controller Area Network Bus. Detailní popis jednotlivých sběrnic a jejich vzájemné porovnání je uvedeno v [27]. Podrobně se touto problematikou zabývala již výroční zpráva projektu VGA [5]. Shrňme jen nejdůležitější vlastnosti sběrnice CAN: • sdílená sběrnice s prioritním rozhodováním o přístupu k médiu, • zaručená doba odezvy, • libovolný uzel může vyslat zprávu, • přenosová rychlost do 1 Mb / s, • detekce chyb a automatické opakování chybných zpráv, • automatické odpojení poškozených jednotek. 3.6.2

Topologie sběrnice CAN v UAV

Na obr. 1 je uvedeno detailní schéma bezpilotního prostředku. Striktní oddělení řídicí a aplikační sběrnice umožnilo zvýšit bezpečnost a modulárnost celého řešení. Systém řízení je postaven na sběrnici CAN. Z důvodu bezpečnosti je tato sběrnice fyzicky zdvojena tj. máme k dispozici primární a sekundární (záložní) řídicí sběrnici. Jednotlivé uzly připojené na řídicí sběrnici musí proto disponovat dvěmi nezávislými CAN kanály. Aplikační sběrnice nemá bezprostřední vliv na řízení bezpilotního prostředku. Je určena pro různé rozšiřující hardwarové moduly (kontejnery), které by mohl v budoucnu bezpilotní prostředek nést. Podle druhu řešené úlohy se může jednat o libovolný typ sběrnice (např. Ethernet II, SPI apod.). Detailní popis jednotlivých funkčních bloků a systému zpráv v rámci sítě sběrnice CAN je uveden v [27]. Priority zpráv jsou zvoleny tak, aby odpovídaly stupni důležitosti jednotlivých bloků (zařízení) a bylo dosaženo optimálního provozu bezpilotního prostředku. Při definování priorit byly ponechány značné mezery mezi jednotlivými úrovněmi. Tímto je zajištěno budoucí hladké rozšiřování o nové priority. V bezpilotním prostředku klademe nejvyšší důraz na dosažitelnost informací potřebných pro rozhodování autopilotu a pro ovládání servomechanizmů. Bezpilotní prostředek je konstruován pro vzdušný průzkum, jeho činností není ohrožen člověk, proto obsahuje menší množství záloh, než obdobný prostředek s lidskou posádkou. Funkčnost zvoleného řešení byla ověřena programovou simulací komunikace jednotlivých uzlů uvnitř bezpilotního prostředku. K simulaci slouží vývojové prostředí CANalyzer, viz [27]. Výstupem programu je simulace letu bezpilotního prostředku s možností interaktivních změn přenášených parametrů. Při realizaci jsme využili nadstavby CAN db++ pro vytvoření databáze a CAPL (CAN Access Programming Language) pro naprogramování jednotlivých bloků. Simulátor bude sloužit v následujících fázích projektu při realizaci autopilotu a dalších bloků. Pomocí CANalyzeru lze během vývoje jednotlivé bloky oddělovat (vypínat) a nahrazovat fyzickými realizacemi.

14

3


Po sestavení celého simulátoru sběrnice jsme provedli kontrolu vysílaných zpráv. Zjišťovali jsme, zda přenášené zprávy a jejich obsah souhlasí s návrhem. V dalším kroku jsem porovnali posloupnost přenášených zpráv a zpráv uložených v souboru bloku „Záznam“. Posloupnost vysílání zpráv a jejich registrace blokem „Záznam“ byla v pořádku. Dále jsme prověřili fungování jednotlivých bloků. Odpojováním jednotlivých bloků jsme jednoduše simulovali jejich výpadky. Přitom blok „Kontroly“ vždy upozornil na nefunkčnost daného bloku. V posledním kroku jsme testovali chování simulátoru na redundantní zprávy. Pokud jsme generovali duplicitní zprávy, jenž nejsou definovány v CAN db++, nezaregistrovali jsme chybnou činnost některého z bloků. Pokud jsme generovali zprávy definované v CAN db++, blok kontroly nezaznamenal chybnou činnost. Přítomnost nadbytečných zpráv jsme ovšem zaregistrovali jak v okně „Trace“, tak v bloku „Záznam“.

3.7

Modulární struktura s pevně definovaným rozhraním

Základem celého systému UAV je centrální řídicí jednotka založena na architektuře x86 (procesorový modul PC / 104), ke kterému se přes rozšiřující kartu s CAN rozhraním připojují ostatní inteligentní senzory a podpůrné obvody. Jádro inteligentních senzorů tvoří výkonný 16-bitový jednočipový mikropočítač (JM). Výběr správného JM je jedním z kritických rozhodnutí, která často ovlivňují úspěch či selhání celého projektu. Hlavním naším cílem při návrhu inteligentních senzorů byla volba moderního JM schopného splnit požadavky kladené současným trendem v oblasti vývoje zabudovaných zařízení. Stále více inteligentních periferií je integrováno přímo na čipu. Tato skutečnost se positivně projevuje do nárůstu spolehlivosti (testování již během výroby, snížení počtu externích periferií) a komfortu při ovládání (dedikované instrukce procesoru). Vyloučení externích prvků sebou přináší i snížení požadavků na velikost desky plošných spojů a příkon celého zařízení. Poměr pamětí RAM ku FLASH se v minulosti pohyboval 1:32, dnešní trend však směřuje k 1:16 (1:8). Více paměti RAM umožňuje použít při vývoji software perspektivnějších vyšších programovacích jazyků. Pro aplikace, kde se předpokládá změna kódu programu, jsou vhodné JM s pamětí programu typu FLASH a rozhraním ISP popř. JTAG. V komplexnějších projektech je těžiště při samotné realizaci v oblasti návrhu a testování firmwaru. Vhodná volba vývojových a podpůrných nástrojů šetří množství zbytečných komplikací nyní i v budoucnu. Není důvod se obávat nasazení vyšších programovacích jazyků. Sestavený kód programu v kvalitním překladači jazyka C pro JM je dnes plně srovnatelný s programem napsaným v jazyce symbolických adres. Společným rysem pro všechny použité JM je možnost sestavení výsledného programu v jednom kompilátoru. Naše volba padla na volně dostupný kompilátor jazyka C – GCC (GNU Compiler Collection) [14], který je k dispozici pro většinu hardwarových platforem. Velkým přínosem je, že ve vetšině případů po drobné modifikaci zdrojového kódu lze program sestavit pro jinou cílovou platformu. Jedním z klíčových prvků při výběru JM bylo mimo dostatečného výpočetního výkonu (požadavky na výpočty v plovoucí řádové čárce) i fyzická integrace dvou řadičů CAN přímo na čipu. Naše volba padla na JM Hitachi H8S / 2638, který splňuje výše uvedené požadavky. Pro potřeby distribuovaného měření letových veličin jsme zvolili riskové JM firmy Atmel řady AVR. Úlohy, u kterých hraje důležitou roli časování (např. buzení servo motorů, přepínání řízení UAV), byly navrženy pomocí programovatelných logických obvodů FPGA (Field Programmable Gate Arrays). 3.7.1

Jednočipové mikropočítače řady AVR

JM s jádrem AVR jsou 8-bitové riskové mikropočítače firmy Atmel. Vnitřní konstrukce je uzpůsobena k použití vyššího programovacího jazyka C. Obvody AVR byly vyvinuty v devadesá-

3.8

Centrální řídicí jednotka

15

tých letech minulého století a vykazují značný pokrok oproti většině svých 8-bitových protějšků dostupných na trhu. Všechny typy nabízejí možnost ISP programování, což umožňuje snadno provádět programování přímo v cílovém zařízení bez nutnosti manipulace s obvodem. Novější typy mají navíc JTAG rozhraní pro ladění aplikací z PC. Nezanedbatelným prvkem je i cena kvalitních vývojových nástrojů, která je o řád menší ve srovnání s 8051. Mikropočítače AVR jsme navrhli pro distribuované měření jednotlivých veličin UAV s tím, že plně nahradí dražší a větší obvody C8051F040, které jsme doposud používali pro tyto účely. Řada AVR nedisponuje rozhraním CAN, to ovšem nevadí. Primárně jsou tyto obvody určeny pro sběr a předzpracování dat přímo na měřeném objektu (zkrácení délky analogového vedení na minimum). Následně dojde pomocí dedikované sběrnice k přenosu získaných dat do nadřízeného obvodu s CAN rozhraním. 3.7.2

Jednočipové mikropočítače řady H8S / 2600

Vysoké nároky na matematické zpracování některých naměřených hodnot (např. gyroskop) spolu s vysokým počtem opakování měření za 1 s si vynutily použití výkonného 16 popř. 32 bitové JM. Po konzultaci s našimi kolegy z ČVUT a z důvodu vzájemné kompatibility hardwaru mezi oběma pracovišti jsme se rozhodli pro JM H8S / 2638 [32]. Jedná se o 16-bitový JM, který však disponuje 32-bitovými registry a má hardwarovou 16-bitovou násobičku. Na čipu je k dispozici celá řada periferií včetně dvou nezávislých CAN kanálů. V loňském roce se nám podařilo získat vývojový kit pro procesor H8S / 2638. Ukázal se jako velmi vhodný pro první přiblížení s touto řadou JM i pro samotný vývoj aplikací. V současné době probíhají práce na výrobě vlastní desky, neboť nákup hotových kitů je finančně velmi náročný. Společné rysy pro zde představené JM zobrazuje následující výčet: • dostupnost na trhu a přĳatelný poměr cena / výkon, • dostupné vývojové nástroje (kompilátor, debuger, programátor) pro daný JM, • možnost programování v jazyce C spojená s laděním a programováním přes JTAG rozhraní z PC, • možnost ISP programování v cílovém zařízení, • snadná migrace napsaného kódu programu mezi jednotlivými typy JM díky jazyku C, • výpočetní výkonnostní rezerva pro budoucí rozšiřování (risková architektura), • hardwarová rezerva pro budoucí rozšiřování (volné v / v, paměť RAM / FLASH, periferie atd.), • nízká spotřeba a vyřazovaní.

3.8

Centrální řídicí jednotka

Jádro centrální řídicí jednotky tvoří x86 kompatibilní systém firmy Digital–Logic AG. Jde o procesorový modul PC / 104 MSM586SEV s integrovanými komponentami na hlavní desce. Přístup na sběrnici CAN řeší modul PC / 104 PCM-3680 a napájení je realizováno námi navrženým lineárním stabilizovaným zdrojem. 3.8.1

Procesorový modul MSM586SEV

Modul MSM586SEV je založen na CPU AMD ÉlanSC520 [3] a je kompatibilní s většinou běžně dostupného programového vybavení. Nespornou výhodou je zejména možnost využití předchozích znalostí z oblasti hardware PC a výrazně tak snížit čas a náklady potřebné pro

16

3


vývoj. Systém je mechanicky konfigurovatelný a rozšiřitelný standardními moduly typu PC / 104. Technické parametry jsou shrnuty v tab. 1. Koncepce řešení postavená na hardwarové platformě PC / 104 má mimo již zmíněné výhody i jednu zásadní nevýhodu. Obecně procesorový modul PC/104 (procesor + základní periferie PC) nedisponuje žádnými volnými digitálními a analogovými vstupy/výstupy. Jakékoliv měření analogových veličin vyžaduje použití další rozšiřující měřicí karty. Tento fakt se negativně projevuje do nárůstu celkové hmotnosti a proudového odběru výsledného zařízení. CPU Performance (MHz) DRAM (MB) DiskOnChip Socket CompactFlash Socket Mouse Keyboard Floppy IDE COM1 COM2 COM3 COM4 LPT1 IrDA LAN Video Controller Video Datapath Video Memory (MB) LCD Interface LCD Resolution EEPROM Support Watchdog Power Normal Cooling Type Operating Temp. Extended Temp. Weight (gr.) MTBF

ELAN520 133 SODIMM 16 – 128 SDRAM ANO ANO ANO ANO LB RS232 / 485 RS232 / 485 RS232 / 485 / TTL RS232 / 422 / 485 / TTL ANO external 10 / 100BASE–T SXGA 69000 PCI 2 24 Bit TFT 3 V / 5 V 1280 x 1024 x 256 ANO ANO 5V / 900 mA (16 MB) (typ.) passive −25◦ C to +70◦ C −40◦ C to +85◦ C 100 > 200 000 h

Tab. 1: Technická specifikace modulu MSM586SEV, převzato z [10]

3.8.2

Modul sběrnice CAN PCM-3680

Modul PCM-3680 připojuje řídicí jednotku na sběrnici CAN. Zabudovaný řadič sběrnice umožňuje kartě přebrat funkci arbitra sběrnice a provádět detekci chybových stavů s funkcí automatického opakování vysílání. Karta je vybavena dvěmi nezávislými CAN kanály. Technické parametry jsou shrnuty v tab. 2. Programové vybavení dostupné v rámci dodávky modulu neodpovídalo našim požadavkům a cílům. Patřičnou náhradu jsme nalezli u projektu OCERA (Open Components for Embedded Real-time Applications) [28] v rámci kterého je vyvíjen i ovladač pro náš modul. Linux/RT-Linux CAN driver [31] byl úspěšně použit pro komunikaci mezi jednotlivými podsystémy UAV.

3.9

Operační systémy pracující v reálném čase Ports CAN controller CAN transceiver Signal support Memory segment base address IRQ Isolation voltage Power consumption Connectors Operating temperature Dimensions

17 2 SJA-1000 82C250 CAN H, CAN L ¯ ¯ From C800H to EFOOH 3, 4, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12 or 15 1000 V DC +5 V @ 400 mA typical, 950 mA max. Dual DB–9 male connectors (cable included) 0 to 50◦ C (32 to 122◦ F) 90 mm x 96 mm (3,6" x 3,8")

Tab. 2: Technická specifikace modulu PCM-3680, převzato z [1]

3.9

Operační systémy pracující v reálném čase

Základním univerzálním programovým nástrojem, který využíváme při realizaci řídicích úloh je operační systém. Jeho vlastnosti a chování fundamentálně ovlivňují praktické možnosti výsledného řízení. Operační systémy použitelné pro řídicí úlohy je možné rozdělit do dvou základních skupin: • Operační systémy specificky navržené pro úlohy řízení v reálném čase (angl. Real-Time Operating Systems - RTOS). • Univerzální operační systémy s omezenými možnostmi použití pro úlohy řízení v reálném čase (angl. General Purpose Operating Systems - GPOS). Existuje celá řada výrobců komerčních proprietárních RTOS. Použití takovéhoto typu operačního systému v sobě skýtá určitá úskalí týkající se celkové finanční náročnosti zvoleného řešení. Nesporná kvalita je vyvážena adekvátní cenou. Širšímu nasazení brání i skutečnost, že většinou je k dispozici pouze limitovaný počet licencí. Z tohoto důvodu jsme se rozhodli pro volně šiřitelný operační systém Linux. Samotný Linux patří do kategorie GPOS, tedy nesplňuje požadavky kladené na řídicí systém pro UAV. Obliba tohoto operačního systému však vedla ke vzniku aktivit umožňující dodržet podmínky, které má splňovat RTOS. Hlavními zástupci jsou: • RTLinux – Real-Time Linux [11], • RTAI – Real-Time Linux Application Interface [33]. Myšlenka doplnění real-time podmínek je velice jednoduchá. Spočívá v oddělení malého realtime jádra od původního monolitického jádra Linuxu. Klasický Linux následně běží jako proces s nejnižší prioritou nového real-time jádra. Tvůrci RTLinuxu si nechali tento způsob doplnění real-time vlastností patentovat, což vedlo k celé řadě nevolí ostatních uživatelů. Důsledkem byl vznik projektu RTAI, který využívá stejný princip, ale je volně distribuován pod licencí GNU GPL. Srovnání obou variant real-time rozšíření OS Linux je uvedeno v článku [4]. Praktické ověření deklarovaných real-time vlastností a jejich dodržení je detailně uvedeno [26]. Výsledkem studie je, že pouze klasické jádro OS Linux s RTAI rozšířením je schopné plně splnit podmínky kladené na hard real-time aplikace. Samotné použití OS Linux a jeho všech rozšíření v sobě skýtá řadu úskalí spjatých s nutností detailní znalosti řešeného problému. Při prvních pokusech s nasazením uvažovaného řešení na

18

3


cílové platformě jsme vyšli z projektu The Scalable Processing Box [34]. Řada myšlenek byla pro nás velice inspirujících a zvažujeme navázání spolupráce s autory projektu.

3.10


Záznamové zařízení musí být schopno ukládat velké objemy dat ve standardním formátu tak, aby bylo možné naměřená data po ukončení letu jednoduše postoupit k dalšímu zpracování. Předpokládá se soubor dat v řádech desítek až stovek megabajtů v nekomprimovaném stavu. Objem ukládaných dat se redukuje použitím bezeztrátové komprimace. Ze široké škály dostupných velkokapacitních záznamových médií jsme již na počátku vyloučili všechna paměťová média s otáčejícími se částmi (pevné disky, magnetické velkokapacitní pásky a jiné). Nevýhodou těchto medií jsou vyšší příkonové požadavky, menší mechanická odolnost a nižší teplotní provozní rozsahy. Pokud bychom ovšem vyžadovali vysoké záznamové kapacity v řádu desítek až stovek gigabajtů, pak by bylo nezbytné zmíněné nevýhody akceptovat a minimalizovat je pomocí dalšího podpůrného zařízení (teplotní kompenzace, mechanické odpružení, a jiné). Existuje několik typů médií bez rotujících částí, která jsou schopná pojmout získaná data. Jedná se především o paměti: SmartMedia, MMC, Memory Stick, Compact Flash Card a XD Card. Z důvodu velkých přenosových rychlostí a dostupnosti technické literatury [16] jsme se rozhodli použít paměťové médium Compact Flash Card (CFC). Především standarní uložení dat na CFC, umožnil zkrátit dobu vývoje, kdy odpadly problémy s tvorbou vlastního proprietárního systému souborů. Paměť CFC obsahuje systémové soubory pro centrální řídicí jednotku a zároveň umožňuje současné ukládání měřených dat do několika souborů. Po ukončení letu jsou data přenesena do vyhodnocovacího počítače. Zvolené řešení (procesorový modul PC / 104 a CFC) ušetřilo řadu problému v porovnání s vývojem vlastního záznamového zařízení. Nespornou výhodou bylo i možnost využití CFC konektoru integrovaného přímo na modulu PC / 104. V současné době je hlavním cílem shromáždit co největší množství dat z pilotovaných letů. Získané informace budou využity pro tvorbu matematického modelu chování UAV, nezbytného k vlastnímu návrhu autopilota. Data nacházejí uplatnění i v dalších úkolech řešených v rámci projektu jako je např. vizualizace letu, provozní diagnostika a ověření funkce jednotlivých přístrojů.

3.11

Experiment letiště Přerov

Praktický experiment použití diagnostické ústředny se uskutečnil dne 15. července 2004 na letišti v Přerově. Do draku UAV byla zabudována minimalizovaná verze DÚ. Cílem experimentu bylo ověřit v reálných podmínkách základní funkce DÚ. Během pilotovaného letu byly údaje z GPS, elektronického kompasu a gyroskopu zaznamenávány na paměťové médium. Rozmístění jednotlivých funkčních bloků je vyobrazeno na obr. 10. Přĳímač GPS a elektronický kompas byly umístěny vně draku UAV. Mechanické uchycení jednotlivých částí bylo provedeno šrouby do draku UAV přes tlumící gumovou podložku nahrazující silenbloky. 3.11.1

Záznam dat během experimentu

Centrální řídicí jednotka prováděla záznam dat ze senzorů připojených na sériová rozhraních ttyS1 – ttyS3 (UART1 – UART3) viz obr. 11. Jednotlivé senzory byly přednastaveny v laboratorních podmínkách, aby se vyloučila možná chyba konfigurace. Jeden cyklus měření odpovídal době od připojení systému na zdroj napájení až po regulérní vypnutí systému příkazem „shutdown“. Z důvodu limitované životnosti (omezený počet zápisů) paměťové karty CF, byla data ukládána do paměti RAM (tmpfs – temporary filesystem). Každých pět minut systém provedl

3.11


19 GPS 16A

Gyroskop Elektronický kompas

PC/104

Obr. 10: Rozmístění funkčních bloků během experimentu periodickou zálohu naměřených dat (fyzický zápis na CF). Zápis dat byl proveden i během operací restartu a vypnutí systému. Konfigurace centrální řídicí jednotky • distribuce OS Linux - LiRE verze 0.2 [34], – jádro operačního systému verze 2.4.21, – RTAI verze 24.1.12, – BusyBox verze 0.60.5, • ovládání přes rádiový modul připojený na sériové rozhraní UART0 (/dev/ttyS0), • záznam o průběhu letu na paměťové médium CFC 256 MB, • napájení z osmi článků NiMH baterie SANYO 3000 mAh.

5V / 1A

RTS/CTS

Procesorový modul PC/104 - MSM586SEV AMD ÉlanSC520

GPS 16A

38400,N,8,1

8V / 100mA

UART1

133 MHz

SDRAM 128 MB

CFC 256 MB

UART2

868 MHz radio link

9600,N,8,1

19200,N,8,1

UART3

Aerocomm AC 4486

UART0

Funkce DÚ byla v reálném čase monitorována pomocí rádiového spoje z pozemního stanoviště. Díky této funkci se podařilo odhalit počáteční problémy s mechanickým uchycením konektorů, které v důsledku vibrací uvnitř UAV vedly k jejich svévolnému rozpojení.

19200,N,8,1

elektronický kompas 8V / 24mA

5V/1A

aktivní chlazení

NiMH baterie 8 cˇ lánku˚

Zdroj napájení

stabilizátor 5V / 5A

SANYO - 3000 mAh ˇ z baterie 9,2V napetí

HMR 3300

stabilizátor 3,3V / 1A

Obr. 11: Blokové schéma centrální řídicí jednotky během experimentu

gyroskop 8V / 200mA

20

3

3.11.2


Vyhodnocení dat z GPS přĳímače

Získaný záznam NMEA vět z GPS přĳímače byl předzpracován a byly vyloučeny neplatné záznamy (fáze kdy GPS přĳímač nebyl zasynchronizovaný). Následně byla data zobrazena programem GnuPlot. Na obr. 12 je znázorněna dosažená výška během letu UAV, vztažená k nadmořské výšce letiště. Je nutné uvést, že v naměřených datech se objevil i záznam se zápornou nadmořskou výškou. Pro další použití GPS přĳímače to znamená věnovat patřičnou pozornost naměřeným hodnotám, které budou použity k samotnému řízení UAV. UAV - flight level (Přerov 15-7-2004) 180

Flight level

160

140

Flight level [m]

120

100

80

60

40

20

0 12:02:30

12:03:00

12:03:30

Sat Sep 15 18:53:44 2004

12:04:00 Universal Time (UTC) [h]

12:04:30

12:05:00

12:05:30

Obr. 12: Průběh dosažené výšky zaznamenaný z GPS přĳímače Na obr. 13 je znázorněna trajektorie letu UAV. Jedná se o převedení obr. 12 do 3D–rozměru.

3.11.3

Vyhodnocení dat z gyroskopu

Při zpracování dat z měření bylo zjištěno, že záznamy dat z gyroskopu (trojice hodnot z akcelerometrů a trojice hodnot z měřičů úhlových rychlostí) nemají správnou časovou synchronizaci s ostatními daty. Počet vzorků neodpovídá času, po který měření probíhalo. Ze získaných dat nelze zjistit, zda došlo k časové prodlevě před spuštěním záznamu naměřených dat či v průběhu měření. Není možné jednoznačně označit původ této nekonzistence. Byl posouzen vliv vibrací letounu na výstup akcelerometrů (viz obr. 14). Na počátku mise (do doby 133 330 s), kdy letoun stojí na startovací dráze, je vliv šumu zanedbatelný. Po startu bezpilotního prostředku (po době 133 330 s) jsou výstupy akcelerometrů výrazně ovlivněny vibracemi letounu. Pro další měření bude vhodné upravit způsob záznamu dat, takovým způsobem, aby byla umožněna jejich rekonstrukce v případě obdobné časové nekonzistence. Bude nutné provést další test vytvořeného bezkardanového systému orientace, za podmínek blízkých operačním. Nezbytná bude i úprava gyroskopu pro filtraci hodnot akcelerometrů, aby se snížil vliv vibrací letounu během letu na jejich výstup.

3.11


21

UAV - flight (Přerov 15-7-2004) UAV flight

Flight level [m] 180 160 200

140 120

150

100 80

100

60 40

landing

50

20 0

0

1723.6

launching

1723.5

1723.4

1723.3

Longtitude

1723.2

1723.1

1723

4925.55 4925.5 4925.45 4925.4 4925.35 4925.3 Latitude 4925.25 4925.2 4925.15 1722.94925.1

Flight number 2.

Obr. 13: Průběh letu zaznamenaný z GPS ve 3D zobrazení

Obr. 14: Výstup akcelerometrů během jedné letové mise

22

4

5

PUBLIKACE A DALŠÍ AKTIVITY

Využití výsledků pro praxi a pro další výzkum

Na projektu diagnostické ústředny se podílelo celkem pět řešitelů (3 studenti DSP, 2 studenti 5. ročníku). Každý zúčastněný se aktivně zapojil do řešení grantu. Během návrhu a postupné realizace jednotlivých dílčích úkolů se objevily tři hlavní oblasti našeho dalšího zájmu. Ukázalo se, že řešená problematika je natolik rozsáhlá, že ji nelze plnohodnotně vyřešit v rámci tak krátké doby, jakou jsme měli k dispozici. Výsledkem bylo podání tří grantových přihlášek VGA na rok 2004. por. Ing. Pavel Čeleda (K269) – Zvýšení spolehlivosti operačních systémů pracujících v reálném čase V rámci dosavadního řešení řídicího systému pracujícího v reálném čase bylo získáno potřebné technické vybavení. Došlo k ujasnění úlohy a požadavků na OS. Oblasti dalšího působení jsou v použití operačních systémů pracujících v reálném čase na modulech PC / 104; použití metod bezpečného programování ke zvýšení spolehlivosti programového vybavení v prostředí RTOS; analýza vlivu hardwarové architektury a technického vybavení na stabilitu RTOS; sestavení podkladů pro začlenění problematiky RTOS do výuky operačních systémů. Získané poznatky budou následně použity v disertační práci por. Čeledy zabývající se problematikou RTOS. por. Ing. Ivo Hrdlička (K270) – Korekce bezkardanového systému orientace Zmenšení stávající chyby bezkardanového systému orientace by měla umožnit aplikace nové dostupné součástkové základny. Konkrétně se jedná o citlivější snímače úhlových rychlostí a akcelerometry. Výpočetní algoritmus je třeba optimalizovat pro použití v JM H8S / 2638. V případě potřeby bude proveden i návrh paralelní varianty programového kódu pro implementaci ve víceprocesorovém řídicím systému. por. Ing. Václav Křivánek (K263) – Průběžná diagnostika hybridního pohonu mobilního prostředku V tomto projektu by se měly zúročit poznatky získané během řešení diagnostické ústředny k diagnostice hybridního pohonu, který je v současnosti vyvíjen. Cílem je navrhnout mechanismy nezbytné pro zvýšení spolehlivosti, bezpečnosti, životnosti a snížení provozních nákladů spojených s provozem hybridního pohonu. Řešitelský kolektiv měl již z dřívějška pozitivní zkušenosti s prací v týmu. Přesto se ukázalo, že aplikace metod řízení (angl. project management) může zvýšit celkovou produktivitu a efektivitu odvedené práce. Pro rozvržení dílčích úkolů v rámci DÚ byl použit produkt Gantt Project [12]. Bylo tak možné přiřadit každému z řešitelů jistou část projektu a sledovat jeho řešení. Harmonogram práce je přiložen jako příloha F a G. Řada nových poznatků získaných nasazením moderních technologií (CAN, RTOS, JM apod.) je uplatňována při zadávání a řešení ročníkových a diplomových prací. Důkazem toho, že se jedná o širokou a aktuální problematiku je fakt, že poznatky nacházejí své uplatnění i mimo pracoviště zúčastněných kateder. Materiál zakoupený v rámci projektu DÚ nachází využití nejenom při řešení projektu samotného, ale též při práci studentů v rámci jejich diplomových prací a soutěží SVOČ. Vhodným příkladem takové práce je diplomová práce por. Libora Kučky „Dálkové řízení mobilního autonomního prostředku pomocí GPS a bezdrátového spoje“, který se v soutěži SVOČ Brno 2004 umístil na druhém místě.

5

Publikace a další aktivity

Během řešení grantového úkolu se nám podařilo navázat úspěšnou spolupráci s tuzemskými vysokoškolskými institucemi (ČVUT, VUT) a zahraniční školou (ENSIETA – Francie).

23 Na Českém vysokém učení v Praze se konkrétně jedná o Katedrou řídící techniky. Na tomto ústavu se zabývají řešením podobného úkolu. Chtějí se pokusit vyřešit autonomní řízení malého modelu vrtulníku pro fázi letu podle předem zadané trajektorie. Po několika vzájemných konzultacích a návštěvách přímo na pracovišti se ukázalo, že topologie obou prostředků je téměř totožná a obě strany možnost vzájemné spolupráce uvítaly. Oba týmy se shodly na stejném hardwarovém vybavení létajících prostředků, aby byla ještě větší provázanost obou projektů. Stěžejními body spolupráce je řídící jednotka a inerciální navigační jednotka. Tyto části jsou nejvíce rozpracovaný. U dalších podsystémů se hledají témata kooperace, aby bylo možné co nejefektivněji využít kapacity obou pracovišť. Na podzim roku 2003 jsme se kontaktovali s pracovníky Ústavu automatizace a měřící techniky při Vysokém učení technickém v Brně, kteří zkonstruovali záchranářského robota Orpheus [29]. S nimi jsme konzultovali problematiku inerciální navigační soustavy. V obou projektech je tento prvek klíčovým elementem a úzká spolupráce při jeho řešení je nanejvýše žádoucí. Celá koncepce bezpilotního prostředku byla představena a konzultována na Workshopu studentské sekce IEEE Radešín 2003. V diskuzi, která vystoupení bezprostředně následovala zodpověděli řešitelé řadu otázek a získali cenné podněty k zamyšlení a zapracování do stávající koncepce. V prosinci 2003 řešitelé navštívili vysokou školu ENSIETA (École Nationale Supérieure d´Ingénieurs) v Brestu ve Francii, kde konzultovali řešený projekt s odborníky konstruujícími podmořský kluzák určený primárně pro výzkum mořského dna. V červenci 2004 pracoval v rámci své odborné praxe Florent LAPLANCHE, student této školy na vyhodnocovací jednotce inerciální navigační soustavy pod odborným vedením kpt. Bureše. V říjnu 2004 odcestoval por. Čeleda na ENSIETu řešit problematiku operačních systémů pracujících v reálném čase. Odbornou veřejnost seznámili řešitelé se svými výsledky na konferenci „TD 2004 – DIAGON 2004“. Příspěvek do sborníku pod názvem „Automatizovaný systém sběru dat u bezpilotního prostředku“ je součástí této zprávy jako příloha I. Na další mezinárodní konferenci by rádi řešitelé prezentovali nové poznatky a zkušenosti z konstrukce DÚ.

Publikace autorů mající vztah k řešenému úkolu: (A) Bureš, Z.; Čeleda, P.; Hrdlička, I.; Křivánek, V.; Mořkovský, T. Diagnostická ústředna – automatizovaný systém sběru dat u bezpilotního prostředku. Výroční zpráva o řešení projektu VGA, Vojenská akademie v Brně, 2003. (B) Čeleda, P. UISP – AVR In–System Programmer. HW Server, [online], poslední revize 2003–09–21 [cit. 2004–04–19]. URL: . (C) Čeleda, P. STK500 Protocol AVR Bootloader. HW Server, [online], poslední revize 2003– 09–21 [cit. 2004–04–19]. URL: . (D) Hrdlička, I. Bezkardanový systém orientace pro bezpilotní letoun. Diplomová práce, Vojenská akademie v Brně, 2003. (E) Křivánek, V. Prediktivní diagnostika multiprocesorových systémů. Sborník konference IEEE Radešín 2003. VUT FEI, 2003. ISBN 80–214–2479–6. (F) Mořkovský, T. Řešení vnitřní sběrnice bezpilotního prostředku s využitím rozhraní CAN Bus. Diplomová práce, Vojenská akademie v Brně, 2003. (G) Čeleda, P.; Křivánek, V. Automatizovaný systém sběru dat u bezpilotního prostředku. Sborník technická diagnostika – DIAGON 2004, s. 116 – 120. UTB Zlín, 2004. ISBN 80–7318–195–9. (H) Křivánek, V. Aktivní diagnostika hybridního pohonu. Sborník konference IEEE Radešín 2004, s. 71 – 72. VUT FEI, 2004. ISBN 80–214–2726–4.

24

6

6

PŘEHLED NÁKUPŮ Z PŘIDĚLENÝCH FINANČNÍCH PROSTŘEDKŮ

Přehled nákupů z přidělených finančních prostředků

Z přidělených finančních prostředků byl v roce 2003 zakoupen následující materiál. Položka 5 137 103, přiděleno 60 000 Kč • Notebook IBM R40, • Netfinity 10 / 100 Ethernet, • IBM 8x4x32x8 CD–RW / DVD–ROM, • IBM V.90 Data / Fax, • IBM TP 256 MB PC 2100, • brašna DICOTA Multi Twin, • optická myš Logitech. Položka 5 136 102, přiděleno 38 500 Kč • domácí literatura Rektorys K. a kol. Přehled užité matematiky I Rektorys K. a kol. Přehled užité matematiky II Page–Jones Meilir Základy objektově orientovaného návrhu v UML Schmuler Joseph Myslíme v jazyku UML Herout Pavel Učebnice jazyka C Balátě Jaroslav Automatické řízení Váňa Vladimír Mikrokontrolély Atmel AVR – programování v jazyce C Hrbáček Jiří Komunikace mikrokontroléru s okolím 1 Hrbáček Jiří Komunikace mikrokontroléru s okolím 2 Rybička Jiří LATEX pro začátečníky Nevřiva Pavel Analýza signálů a soustav Pokorný Miroslav Umělá inteligence v modelování a řízení Zelinka Ivan Umělá inteligence v problémech globální optimalizace Hlavička Jan Diagnostika a spolehlivost Hlavička Jan Diagnostika a spolehlivost – cvičení Gleick James Chaos Novák, Šebesta, Votruba Bezpečnost a spolehlivost systémů Novotný, Radovan Spolehlivost a diagnostika • měřící přístroj METEX 3860M, • dobíjecí akumulátor B-NC-9, • 256 MB Handy Steno Apacer, • média CD–RW Verbatim 700 MB / 80 min, • Blank CD–R 80 min 32x, • CD taška, • síťová šňůra MAXXTRO, • kabel twisted, • krytka konektoru RJ-45, • kontaktní pole N-ZSB354, • katalog GM Electronic 2003, • průmyslový počítač MSM586SEV + 128 MB SDRAM,

25 Položka 5 139 109, přiděleno 2 000 Kč • Drobný kancelářský materiál spotřebního charakteru. Z přidělených finančních prostředků byl v roce 2004 zakoupen následující materiál. Položka 5 136 102, přiděleno 20 000 Kč • P805RC – sada rezistorů a kondenzátorů SMD, • mobilní prostředek pro testování Brockwell Peter J. Barnard R. H. • literatura: Bíla Jiří Novák Mirko, a kol.

diagnostické ústředny v 2D prostoru, Introduction to Time Series and Forecasting Hybrid Vehicle Propulsion Umělá inteligence a neuronové sítě v aplikacích Umělé neuronové sítě. Teorie a aplikace.

Položka 5 169 104, přiděleno 30 000 Kč • školení „Základní kurz statistiky“, • zabudování DÚ do draku UAV.

26

7

7

ZÁVĚR

Závěr

Řešitelé grantového úkolu Diagnostická ústředna – automatizovaný systém sběru dat u bezpilotního prostředku si ve svých cílech vytkli (a grantovou přihláškou se zavázali k) vytvoření topologie malého bezpilotního prostředku, výběru nezbytných signálů pro fázi autonomního letu, volbě senzorů pro snímání těchto veličin a především k ověření svých teoretických závěrů praktickou realizací. Při sepisování grantové přihlášky si nikdo přesně nedovedl představit komplikovanost celého problému. Řešení Diagnostické ústředny se ukázalo jako mezioborovou záležitostí, kdy musely být skloubeny poznatky z oblasti měření, avioniky, senzorů, výpočetní techniky, programování a mnoha dalších. Práce by byla téměř neuskutečnitelná bez cenných rad odborníků z cílových kateder Univerzity obrany, a také bez našich techniků, kteří velmi trpělivě vyráběli prototypy pro naše experimentální účely. Na tomto místě bychom rádi poděkovali všem, kteří přispěli k této různobarevné mozaice mající jméno Diagnostická ústředna. Volbě vhodné koncepce UAV byla věnována značná pozornost, neboť právě tento bod rozhoduje o perspektivnosti celého projektu do budoucna. Vývoj UAV je dlouhodobou záležitostí, kdy bude nezbytné měnit technické řešení některých prvků a právě modulární uspořádání s pevně definovaným rozhraním nám zajišťuje snadnou inovaci potřebných částí UAV. Při hledání potřebných signálů pro řízení UAV během autonomního letu jsme byli limitováni nejenom cenou a dostupností technologií, ale také rozměry a především vahou potřebných senzorů. Získali jsme tak minimum čtyř signálů (výška, rychlost, orientace v prostoru, geografické souřadnice), které je třeba dodávat řídicímu systému. Zaměřili jsme tedy svoji pozornost na volbu vhodných senzorů, které by co nejpřesněji a spolehlivě poskytovaly tyto informace. Navrhli jsme a zkonstruovali vlastní pitotovu trubici pro měření barometrické výšky a relativní rychlosti pohybu UAV. Měření je založeno na průmyslových snímačích tlaku jež dávaly uspokojivé výsledky při měření v laboratorních podmínkách. Během pilotovaného letu UAV nebyla pitotova trubice odzkoušena, neboť se nepodařilo odstranit některé komplikace s jejím připevním na drak letounu. S prací s přĳímači GPS řešitelé získali bohaté zkušenosti, protože je použili nejenom v projektu Diagnostické ústředny, ale i v diplomové práci nprap. Kučky „Dálkové řízení mobilního prostředku pomocí GPS a bezdrátového spojení“. Ukázalo se, že se nejde slepě spolehnout pouze na tuto technologii, ale vždy je ji nutné doplňovat další fyzikální veličinou. Na palubě UAV je to především pitotova trubice a elektronický kompas. Při snímání signálu GPS na palubě bezpilotního prostředku není již přesnost ovlivňována terénními překážkami, ale především počtem satelitů, které lze přĳímat. Chybu měření elektronického kompasu nejvíce ovlivňuje parazitní magnetické pole tvořené především kovovými částmi v jeho blízkosti. Místo umístění elektronického kompasu je třeba volit uvážlivě s ohledem na co nejmenší počet kovových prvků. Jinou možností je změřit korekční křivku a výsledky měření pomocí ní zpřesnit. Na tak malém prostoru, jaký nám skýtá drak UAV, se jeví jako nezbytné oba přístupy zkombinovat. S vývojem bezkardanového systému orientace se započalo na katedře K-269 již v roce 2002 v diplomové práci nprap. Hrdličky. Po dvou letech bylo již dosaženo velmi dobrých výsledků při měření. Nasazení zkonstruovaného gyroskopu do reálných podmínek ještě stále brání mechanické vyřešení konstrukce, neboť ta musí skýtat ortogonální systém s dostatečnou tuhostí konstrukce odolné proti vibracím a rázům. Samotnému výběru vhodné řídicí sběrnice předcházel důkladný průzkum možných řešení. Pro své přednosti byla zvolena sběrnice CAN. Byla navržena topologie sítě s možností dalšího rozšiřování o nové prvky. Mimo priorit zpráv a vytvoření protokolu zpráv, byla ověřena její funkčnost jak počítačovou simulací tak i fyzickou realizací. Po stanovení řídicí sběrnice bylo dalším krokem nalezení vhodných jednočipových mikropočítačů pro vytvoření inteligentních senzorů. Podle náročnosti na výpočetní výkon lze použít

27 mikropočítače AVR firmy Atmel nebo pro náročnější úlohy mikropočítače řady H8S / 2600 společnosti Renesas (Hitachi). Oba typy disponují prostředky pro snadné vytvoření a integraci uživatelského programového vybavení. Řízení celého bezpilotního prostředku zajišťuje procesorový modul PC / 104 rozšířený o nezbytné periferie s nainstalovaným operačním systémem pro řízení v reálném čase. Na každém stupni v této hierarchii jsou předpracovávány získané informace a dochází tak k rovnoměrnému rozložení výpočetního výkonu. Volba vhodného paměťového média – Compact Flash Card umožnila snadné přenášení naměřených výsledků do stolního počítače, kde probíhá jejich zpracování nebo lze takto ladit použitý operační systém. Byla navržena datová struktura ukládání souborů, umožňující současně zpracovat několik měřených veličin. Experiment v Přerově byl pomyslným zakončením dlouhých příprav v laboratoři na první pilotovaný let. Lze říci, že potvrdil naše očekávání a všechny klíčové prvky fungovaly podle očekávání. Jako snad nejslabší se projevil radiový spoj, který ovšem nebyl součástí zadání Diagnostické ústředny a bezkardanový systém orientace. V praxi jsme mohli sledovat jaké značné síly působí na letoun. Po odstranění všech závad a ukončení důkladné analýzy všech měření bude proveden další kontrolní let. Vedlejším produktem práce na Diagnostické ústředně jsou pro řešitelé cenné kontakty s pracovišti zabývající se podobnou problematikou. Mimo vysokých škol v České republice je to taktéž spolupráce se školou ENSIETA (Francie). Dosavadní výsledky práce byly zveřejněny na mezinárodní konferenci DIAGON 2004 a taktéž při jiných příležitostech. Nedocenitelnou je pro všechny zúčastněné taktéž zkušenost s prací v malém řešitelském týmu. Tento tvůrčí přístup není na půdě Univerzity obrany příliš podporován, k velké škodě. Taktéž bylo možné v praxi vyzkoušet prvky plánování práce za podpory příslušných programů. Tyto zkušenosti jsou velmi cenné do další akademické práce a jsou obohacením odborného přínosu grantového úkolu. Řešitelé se domnívají, že dostáli svým závazkům uvedených v přihlášce ke grantu VGA. Byly vyřešeny všechny body zadání a výsledky jsou uveřejněny v této Závěrečné zprávě o řešení projektu VGA. Je neodpustitelnou chybou, že Vnitřní grantová agentura nedostála svým povinnostem, které jsou ustanoveny Statutem Vnitřní grantové agentury a byl schválen Akademickým senátem a rektorem Vojenské akademie. I přes nepřízeň osudu bude práce na některých částech Diagnostické ústředny probíhat i v budoucnosti, aby bylo možné provést autonomní let bezpilotního prostředku.

28

7

ZÁVĚR

Přílohy

30

A

Literatura

[1] Advantech Co. PCM–3680 Dual-port Isolated CAN interface Module. [online], poslední revize 2004–04–19 [cit. 2004–04–19]. URL: . [2] ANALOG DEVICE team. ADXL202 / ADXL210. [online], poslední revize 2004–12–02 [cit. 2004–12–02]. URL: . [3] Advanced Micro Devices, Inc. ÉlanSC520 Microcontroller. [online], poslední revize 2004– 11–28 [cit. 2004–11–28]. URL: . [4] Andersson, M.; Lindskov, J. Running real-time Linux on the Axis ETRAX system-on-chip. [online], poslední revize 2003–03–09 [cit. 2004–11–28]. URL: . [5] Bureš, Z.; Čeleda, P.; Hrdlička, I.; Křivánek, V.; Mořkovský, T. Diagnostická ústředna – automatizovaný systém sběru dat u bezpilotního prostředku. Výroční zpráva o řešení projektu VGA, Vojenská akademie v Brně, 2003. [6] Čeleda, P.; Křivánek, V. Automatizovaný systém sběru dat u bezpilotního prostředku. Sborník technická diagnostika – DIAGON 2004, s. 116 – 120. UTB Zlín, 2004. ISBN 80–7318– 195–9. [7] Čeleda, P. STK500 Protocol AVR Bootloader. HW Server, [online], poslední revize 2003– 09–21 [cit. 2004–04–19]. URL: . [8] Čeleda, P. UISP – AVR In–System Programmer. HW Server, [online], poslední revize 2003–09–21 [cit. 2004–04–19]. URL: . [9] CETTRA, spol. s r. o. GPS - popis systému. [online], poslední revize 2004–04–19 [cit. 2004–04–19]. URL: . [10] DIGITAL–LOGIC AG. MSM586SEN/SEV/SL – datasheet. [online], poslední revize 2004– 10–27 [cit. 2004–10–27]. URL: . [11] Finite State Machine Labs. FSMLabs – The RTLinux Company. [online], poslední revize 2004–11–28 [cit. 2004–11–28]. URL: . [12] Gantt Project team. Gantt Project. [online], poslední revize 2004–12–06 [cit. 2004–12–06]. URL: . [13] Garmin Ltd. GPS 16/17 series technical specifications. [online], poslední revize 2004–04–19 [cit. 2004–04–19]. URL: . [14] GCC team. GNU Compiler Collection. [online], poslední revize 2004–11–26 [cit. 2004–11– 28]. URL: . [15] muRata team. GYROSTAR – Piezoelectric Vibrating Gyroscope ENC Series. [online], poslední revize 2004–12–02 [cit. 2004–12–02]. URL: . [16] CompactFlash Association. CF+ and CompactFlash Specification Revision 2.1. [online], poslední revize 2004–12–06 [cit. 2004–12–06]. URL: . [17] Honeywell Int. DC pressure sensor - DC002NDC4. [online], poslední revize 2004–11– 28 [cit. 2004–11–28]. URL: . [18] Honeywell Int. Honeywell Digital compass solution HMR3200, HMR3300. [online], poslední revize 2004–04–19 [cit. 2004–04–19]. URL: . [19] Honeywell Int. Pressure sensor - XCA415AN. [online], poslední revize 2004–11–28 [cit. 2004–11–28]. URL: .

31 [20] Hrdlička, I. Bezkardanový systém orientace pro bezpilotní letoun. Diplomová práce, Vojenská akademie v Brně, 2003. [21] Kemper, G.; Pátíková, A. Základy GPS a DGPS. [online], poslední revize 2004–04–19 [cit. 2004–04–19]. URL: . [22] Kopetz, H. Real-Time Systems: Design Principles for Distributed Embedded Applications. Kluwer Academic Publishers, 2004. ISBN 0–7923–9894–7. [23] Křivánek, V. Prediktivní diagnostika multiprocesorových systémů. Sborník konference IEEE Radešín 2003. VUT FEI, 2003. ISBN 80–214–2479–6. [24] Křivánek, V. Aktivní diagnostika hybridního pohonu. Sborník konference IEEE Radešín 2004, s. 71 – 72. VUT FEI, 2004. ISBN 80–214–2726–4. [25] Kučka, L. Dálkové řízení mobilního autonomního prostředku pomocí GPS a bezdrátového spoje. Diplomová práce, Vojenská akademie v Brně, 2004. [26] Laurich, P. A comparison of hard real-time Linux alternatives. [online], poslední revize 2003–11–19 [cit. 2004–11–28]. URL: . [27] Mořkovský, T. Řešení vnitřní sběrnice bezpilotního prostředku s využitím rozhraní CAN Bus. Diplomová práce, Vojenská akademie v Brně, 2003. [28] OCERA Project. OCERA – Open Components for Embedded Real-time Applications. [online], poslední revize 2004–11–18 [cit. 2004–11–28]. URL: . [29] Žalud, L. ORPHEUS. [online], poslední revize 2004–12–02 [cit. 2004–12–02]. URL: . [30] Picodas Praha. Manuál k GPS Garmin 35. [online], poslední revize 2004–04–19 [cit. 2004– 04–19]. URL: . [31] Píša, P. Linux/RT-Linux CAN driver and CANopen framework. [online], poslední revize 2004–11–28 [cit. 2004–11–28]. URL: . [32] Renesas Technology Corp. H8S/2638 Hardware Manual. [online], poslední revize 2004–11– 28 [cit. 2004–11–28]. URL: . [33] RTAI team. RTAI – Real-Time Application Interface. [online], poslední revize 2004–11–28 [cit. 2004–11–28]. URL: . [34] RTS group. The Scalable Processing Box (SPB) and LiRE. [online], poslední revize 2004– 11–26 [cit. 2004–11–28]. URL: .

32

B

B

SEZNAM ZKRATEK

Seznam zkratek ADC AMR CAN DPS DÚ FLASH FPGA GMR GPS IEEE JM JTAG MEMS OS OSI–RM RAM ROM RTOS SPI SPS UART UAV VGA

Analog To Digital Converter Anisotropic Magnetoresistive Controller Area Network Deska Plošných Spojů diagnostická ústředna Flash Erasable Programmable Read-Only Memory programovatelný logický obvod (angl. Field Programmable Gate Arrays) Giant Magnetorezistive Global Positioning System Institute of Electrical and Electronics Engineers Jednočipový Mikropočítač Joint Test Action Group Microelectromechanical Systems Operating System Open Systems Interconnection & Reference Model Random Access Memory Read–Only Memory operační systém pracující v reálném čase (angl. Real-Time Operating System) Serial Peripheral Interface Standard Positioning Service Universal Asynchronous Receiver / Transmitter létající bezpilotní prostředek (angl. Unmanned Aerial Vehicle) vnitřní grantová agentura

33

C

Výtah z grantové přihlášky

Základní list A

PŘIHLÁŠKA O VNITŘNÍ GRANT VA

Rok

Ev. číslo

01 Název navrhovaného projektu: Diagnostická ústředna – automatizovaný systém sběru dat u bezpilotního prostředku 02 Uchazeč: por. Ing. Václav Křivánek

03 Pracoviště (telefon): K-301 / 443261

04 Garant projektu a další spolunavrhovatel(é):

05 Pracoviště (telefon):

Garanti: plk. doc. Ing. Václav Přenosil CSc. doc. Ing. Zbyněk Růžička CSc.

rektorát / 442155 K-301 / 442645

Spolunavrhovatelé: npor. Ing. Zbyněk Bureš por. Ing. Pavel Čeleda 06 Počet účastníků: • Tvůrčí (doktorandi): 2 • Ostatní: 1+ 2 08 Doba trvání: 2 roky

K-303 / 442781 K-303 / 442781 07 Číslo oborové rady: 09 Termín zahájení: 1. 1. 2003

10 Podstata navrhovaného projektu (stručné shrnutí): Volba senzorického podsystému s vhodnou součástkovou základnou a vazba na hlavní řídicí systém. Měření a sběr elektrických a neelektrických veličin u bezpilotního prostředku. Následná separace, validace a estimace naměřených vstupních hodnot. Záznam na paměťově médium, komprimace dat a jejich předání diagnostickému modulu. 11 Klíčová slova projektu (3): Diagnostika bezpilotního prostředku; sběr, estimace a validace dat; A/Č a Č/A převodníky. 12 Jmenný seznam tvůrčích pracovníků, zúčastněných na projektu kromě uchazeče a spolunavrhovatelů: nprap. Tomáš Mořkovský - student magisterského studijního programu Výstavba, údržba a bezpečnost ASV. nprap. Ivo Hrdlička – student magisterského studijního programu Výstavba, údržba a bezpečnost ASV.

13 Podpis uchazeče: 15 Podpis spolunavrhovatele(ů): 17 Došlo: 19 Vráceno:

14 Datum: 21. 10. 2002 16 Datum: 21. 10. 2002 18 Počet listů: A: B: C: D: E: F: G: H: [Σ: ] Strana 1

Příloha B

PODROBNÉ ZDŮVODNĚNÍ NÁVRHU PROJEKTU

Ev. číslo

Formulace cílů projektu Navrhované téma, jež předkládáme do soutěže VGA na rok 2003 je výrazem snah uplatnit nové poznatky v diagnostice technických systémů v praxi letectva AČR. Projekt diagnostické ústředny je součástí rozsáhlejšího projektu návrhu a realizace průzkumného bezpilotního prostředku (dále jen „BPP“) pro potřeby Armády České republiky, na němž spolupracují významná armádní pracoviště, výzkumné ústavy i soukromý sektor. Cílem projektu diagnostické ústředny je automatizovat sběr letových a provozních dat a jejich následné zpracování a vyhodnocení v bezpilotním prostředku. Získaná data filtrovat (fáze předzpracování), shromažďovat, archivovat a především distribuovat všem systémům zapojených do řízení BPP. Práci na diagnostické ústředně lze rozdělit do následujících kroků: ¾ volba báze snímaných veličin. V této fázi se bude jednat o výběr nutných signálů, které nejlépe popisují chování BPP za letu. Především se jedná o veličiny spojené s pohybem BPP v prostoru, provozní veličiny pohonné jednotky, motorického systému palubního vybavení a elektronických částí autopilota, ¾ volba časových intervalů. Časové intervaly mezi jednotlivými odečty budou proměnné a vždy voleny tak, aby skýtaly co největší vypovídací hodnotu a přitom co nejméně zatěžovaly informační kanály BPP, ¾ volba vhodných senzorů a algoritmů snímání elektrických i neelektrických veličin s vazbou na hlavní řídicí systém. Podle báze měřených veličin budou vybrány a pořízeny optimální snímače, které zajistí správné měření vstupních veličin ve všech režimech používání BPP s dostatečnou přesností. Snímány budou i veličiny svědčící o stavu a funkčnosti elektronického vybavení BPP pro možnost včasného odpojení vadných částí autopilotu, ¾ výběr optimálních převodníků A/Č s dostatečnou přesností, rychlostí a rozsahem měření, ¾ tvorba funkčního modelu. Aby bylo možné sestrojit a také odzkoušet celou diagnostickou ústřednu, je třeba sestrojit model vstupních veličin, které budou simulovat měřený proces. Budeme schopni ověřit některé hypotézy o chování diagnostické ústředny a pružně reagovat na chyby vzniklé při její realizaci, ¾ sběr dat po sběrnicích do centrální jednotky. Je třeba navrhnout vhodnou sběrnici s vhodným komunikačním protokolem, která by umožňovala sběr dat v reálném čase, obsluhu většího počtu zařízení (počet je dán velikostí báze měřených veličin), centralizované řízení a zpětné vazby na podřízená zařízení, ¾ filtrace dat. V souboru naměřených hodnot budou odhalovány a následně separovány data zatížena náhodnou chybou, ¾ komprimace získaných dat, ¾ záznam na paměťové médium pro další použití při diagnostiku prováděnou po přistání BPP, ¾ přenos komprimovaných dat do diagnostického modulu. V diagnostickém modulu budou data analyzována. Vyhodnotí se chování jednotlivých částí BPP, určí se jejich aktuální stav, případně se rozhodne o výměně vadného bloku. Naměřená data jsou určena primárně pro potřeby autopilota průzkumného bezpilotního prostředku. Dále budou využívána při ON-LINE diagnostice za letu Zámyslem je pokusit se aplikovat některé principy predikční diagnostiky na klíčové prvky BPP. V neposlední řadě se počítá s využitím dat při vyhodnocování chování jednotlivých součástí navrhovaného BPP a budou jistě rozhodujícím ukazatelem vhodné volby jednotlivých prvků systému. U dokončeného BPP tyto informace budou využívány pro poletovou diagnostiku, kdy bude možné odhalit vznikající závadu na některém z prvků a zavčasu jej vyměnit za nový či opravit. Při havárii nebo poruše lze analýzou dat určit její pravou příčinu. Diagnostická ústředna bude sloužit jako informační zdroj záznamového zařízení o průběhu letu (tzv. černá skříňka). Předmětem přihlášky je navrhnout konkrétní technickou realizaci diagnostického systému bezpilotního prostředku založeného na aplikaci nashromážděných teoretických a praktických poznatků z aktivní predikční (prediktivní) diagnostiky rozpracovávané v posledních letech na K–303 v řadě výzkumných projektů. Vzhledem k tomu, že projekt směřuje do odborné problematiky, která bude předmětem disertační práce uchazeče a rovněž spolunavrhovatele Ing. Čeledy, je přidruženým cílem projektu zpracování odborných publikací pro uveřejnění v celostátním časopise. Cíle prvního roku Jako cíle prvního roku práce na diagnostické ústředně jsme si stanovili následující body: 1. Specifikace měřených veličin. 2. Nalezení vhodných měřících metod a vhodných snímacích prvků. 3. Nalezení vhodných vyhodnocovacích metod. 4. Vytvoření modelu systému diagnostické ústředny. (generátor / zdroj dat a následný vyvíjený systém). 5. Aplikace metod na navržený model. 6. Ověření metod a následná korekce metod na modelu. Strana 2

7. Aplikace opravených metod na modelu. 8. Závěrečná zpráva. Shrnutí současného stavu Dosavadní přístup k řešení diagnosticky vychází z filosofie sledování provozního času a plánování a provádění pravidelných profylaktických kontrol různého stupně (pravidelné údržby) podle předpisu daného výrobcem a případně upřesněného provozovatelem. K zjišťování technického stavu slouží různé technické prostředky, které jsou součástí technického vybavení letounu nebo externí testery. V podstatě existují dva základní diagnostické přístupy. První určuje zda systém je bezchybný, či zda se v něm vyskytuje porucha (tzv. identifikace bezporuchového stavu). Druhý přístup si klade za cíl lokalizovat případnou poruchu (v tomto případě hovoříme o lokalizačním testování technického systému). Ve většině případů se však nejedná o jednoznačné úlohy, protože i poruchy mají různé vlastnosti a ty vnášejí do úlohy diagnostiky technického systému značný moment neurčitosti. Snahou konstruktérů moderních technických systémů je jednak omezit pravděpodobnost vzniku poruchy a jednak omezit vliv poruchy na práceschopnost technického systému. Klasické postupy jak omezit výskyt a vliv poruch spočívají v pasivním nebo aktivním ovlivňování provozuschopnosti systému. Pasivní metody předpokládají aplikaci vysoce spolehlivých konstrukčních prvků a materiálů při konstrukci systému. Používají ověřené, v současné době často normalizované, metody řízení kvality ve výrobě a v neposlední řadě vyžadují kvalifikovanou a kvalitní údržbu. Používají postupy předimenzování, prověřování kvality konstrukčních prvků a případně celého systému v různých fázích výroby a u náročnějších aplikací obsahují také rozpracovaný systém údržby. Zvláště u náročnějších technických systémů se stanovují meze životnosti jednotlivých konstrukčních prvků systému. Po překročení mezí životnosti jsou v rámci údržby tyto konstrukční prvky nahrazovány prvky novými. Nejčastěji používanou mezí životnosti bývá doba provozu. Jako meze životnosti však mohou sloužit i jiné parametry a to v závislosti na fyzikální podstatě činnosti konstrukčního prvku, na použitých konstrukčních materiálech atd. a může mezi ně například patřit doba skladování, počet pracovních cyklů, stupeň provozního přetížení atd. Aktivní metody zvyšování provozuschopnosti technických systémů výše uvedené postupy rozšiřují o mechanismy aktivní reakce na chyby a poruchy uplatněním principů regenerace systému, rekonfigurace systému, či degradace funkcí systému. Aktivní metody vyžadují implementaci dodatečných technických komponent a zavedení podpůrných organizačních, případně provozních opatření, která jednak zvyšují počet konstrukčních prvků systému a množství vlivů na systém. Technické komponenty realizují tzv. průběžnou diagnostiku, která dává informace o chování jednotlivých bloků technického systému. Tento celý komplex dodatečných technických a organizačních opatření ve svém důsledku ovlivňuje celkovou pravděpodobnost bezporuchového provozu systému a ovlivňuje ekonomické charakteristiky systému jako celku. Je zřejmé, že implementace aktivních principů zvýšení provozuschopnosti vyžaduje spolehlivostní analýzu systému, která by měla dát odpověď na otázky vyváženosti ekonomických, spolehlivostních a jiných charakteristik a parametrů kladených na systém. Obě skupiny metod zvyšování provozuschopnosti systému charakterizují dvě základní vlastnosti: ¾ snaha předcházet poruchám údržbou, ¾ reakce až na již vzniklé poruchy. Intervaly údržby jsou voleny tak, aby bylo možno zaměnit konstrukční prvky, jejichž pracovní zatížení se již blíží nebo překročilo (s předem definovanou rezervou) mez životnosti. Toto je základní mechanismus dosažení požadované pravděpodobnosti bezporuchového provozu. Během údržby je kontrolován stav konstrukčních prvků a jsou prováděny výměny těch konstrukčních prvků, jejichž pracovní zatížení dosáhlo většinou předpisy stanovené meze životnosti. U systémů s implementovanou aktivní metodou zvýšení spolehlivosti je možno navíc věnovat pozornost konstrukčnímu prvku, jenž vyvolal aktivitu prostředků regenerace, rekonfigurace nebo degradace. Pro zvýšení účinnosti diagnostiky technických systémů je možno použít monitorování činnosti technického systému, což představuje záznam vybrané skupiny, případně všech provozních parametrů a v případě implementace průběžné diagnostiky, také záznam chybových hlášení. Tato množina informací tvoří z hlediska teorie systémů komplexní stavovou informaci. Monitorovaná data se ukládají do záznamníku (černé skříňky). Na základě těchto záznamů je možné provádět rekonstrukce a vyhodnocování chování technického systému z nejrůznějších důvodů zajímavých nebo krizových situacích provozu technického systému. Monitorovací systémy jsou standardním vybavením letounů a byly prioritně určeny pro analýzu havarijních situací. Instalaci, provoz a technické parametry těchto záznamníků upravuje celá řada předpisů. Obsahem dat uchovávaných v paměti monitorovacího systému je vlastně množina časových řad jednotlivých monitorovaných parametrů. Separace časových řad jednotlivých monitorovaných parametrů komplexní stavové informace je předpokladem analýzy chování technického systému a předpokladem aplikace predikčních technik pro předpovídání chování těchto časových řad. Pokrok znalostí v teorii predikčních metod umožňuje podstatně zvýšit užitnou hodnotu diagnostických systémů pracujících s monitorováním provozních a chybových parametrů. Aplikace predikčních metod do diagnostiky technických systémů představuje netradiční přístup ke konstrukci diagnostického systému. V tomto případě se hovoří Strana 3

o tzv. predikční diagnostice technických systémů. Předpokladem pro implementaci účinné predikční diagnostiky je rozšířit repertoár monitorovaných parametrů a chybových hlášení tak, aby bylo možno vyhodnocovat všechny typy poruch a diagnostické pokrytí se blížilo hodnotě 100%. Použití moderní elektroniky dovoluje diagnostiku provádět nejen po ukončení práce systému (na zemi po přistání), ale také během práce systému (za letu). V tomto případě se hovoří OFF-LINE nebo ON-LINE režimu práce predikční diagnostiky. Predikční diagnostika především v režimu ON-LINE představuje další rozšíření vlastností a možností aktivních metod používaných pro zvýšení provozuschopnosti technického systému. Princip činnosti predikční diagnostiky spočívá v předcházení poruše systému předpovídáním technického stavu konstrukčních prvků systému. Tato schopnost jednak dovoluje spustit rekonfigurační nebo degradační mechanismy obnovení provozuschopnosti systému s předstihem, tedy před výskytem nebo projevem poruchy, předcházet stavům degradece nebo rekonfigurace během kritických momentů práce technického systému a dále umožňuje provádět výměnu komponent systému na základě jejich skutečného technického stavu. Aktivní diagnostický systém, využívající aktivní metody zvyšování provozuschopnosti technického systému, představuje nástroj pro průběžné určování technického stavu systému. Výsledkem aplikace predikční diagnostiky jsou následující vlastnosti technického systému: ¾ objektivizace hodnocení stavu jednotlivých prvků systému, ¾ racionalizace údržby prvků systému, ¾ předcházení havarijním stavům. Nprap. Tomáš Mořkovský z katedry K–303 řeší v současné době diplomovou práci na téma: Řešení vnitřní sběrnice bezpilotního prostředku s využitím rozhraní CAN–Bus. A nprap. Ivo Hrdlička z téže katedry řeší v současné době diplomovou práci na téma: Bez kardanový systém orientace pro bezpilotní letoun. Literární a jiné reference Závěrečné a průběžné výzkumné zprávy 1) Grantový projekt Grantové agentury České republiky, ev. č. GAČR 101/93-0430, Teorie a metody návrhu systémů se zvýšenou spolehlivostí 2) Projekt obranného výzkumu, SIMULACE - ev. č. 303v04-22 (94/9), Zpracování informací z palubního záznamníku na mikropočítači 3) Grantový projekt Grantové agentury České republiky, ev. č. GAČR 102/96-0183, Postupy pro zvýšení provozní spolehlivosti a životnosti technických celků pomocí predikční diagnostiky 4) Projekt obranného výzkumu VTÚLaPVO, ZÁZNAMNÍK - ev.č. , Výzkum využití parametrů palubních zapisovačů při objektivizaci hodnocení spolehlivosti letecké techniky 5) Projekt obranného výzkumu, PREDIKCE - ev. č. MO 15170898120, Výzkum predikčních interaktivních simulátorů zbrojních systémů 6) Projekt obranného výzkumu, Záznam II - ev.č. , Systém záznamu poškození cíle Články z konferencí 1) PŘENOSIL, V. - MUSÍLEK, P.: Interaktivní záznamník dat pro letoun SU-22M4. Konference CATE-95. Sborník konference, sekce č. 3, str. 125-129. 90% 2) PŘENOSIL, V.: - Technické systémy se zvýšenou spolehlivostí. Konference DIAGNOSTIKA’97, 30. září až 1. října 1997, VA v Brně. Sborník konference str. 53 - 60. 100% 3) PŘENOSIL, V.: “Hybridní systémy se zvýšenou spolehlivostí”. Konference DIAGNOSTIKA’98, 15. až 17. září 1998, VA v Brně. Sborník konference str. 165 - 173. 100% 4) PŘENOSIL, V.: - “Zvýšení účinnosti diagnostického systému letounů používaných letectvem AČR”. Konference k “5. výročí obnovení Fakulty letectva a protivzdušné obrany na Vojenské akademii v Brně”, 17. až 18. června 1999, VA v Brně. Sborník konference str. 169-176. 100% 5) PŘENOSIL, V.- MUSÍLEK, P.: - Error Prediction in Large Electronic System by Neural Networks. Konference INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON FORECASTING (ISF-94), Stockholm School of Economics Stockholm, Stockholm, Švédsko. June 12 - 15, 1994, str. 125. 80% 6) PŘENOSIL, V. - MUSÍLEK, P.: - Neural Network as a Diagnostic Tool of the Ultra Reliable Systems. Konference - INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON FORECASTING (ISF-95), The Sheraton Centre Toronto, Toronto, Canada. June 4-7, 1995, str 90. 90% 7) PŘENOSIL, V.: - Reconfiguration Control of the Technical systems by Neural Networks. THE 5th AICRAFT AND HELICOPTERS DIAGNOSTIC - AIRDIAG’97, Warsawa, Poland, December 11 - 12, 1997, str 143-152. 100% 8) PŘENOSIL, V., FÁBER, J., NOVÁK, M.: -“Prediction of Micro-Sleeps Based on Thalamo-Cortical Oscilation”. Konference - ITEC 2001, Lille, Francie, 24.-27. dubna 2001. 80% Strana 4

Příloha D

Ev. číslo

NÁVRH FINANČNÍHO ZABEZPEČENÍ PROJEKTU

01 Návrh nákladů čerpaných cestou grantu (v tis. Kč): v roce 2003 položka 5136 101: 24.000 položka 5137 109: 70.000 položka 5139 109: 6.000 položka 5166 101: 0 položka 5167 101: 0 položka 5167 301: 0 položka 5172 104: 0 CELKEM

100.000

odhad v dalších letech 12.000 35.000 3.000 0 0 0 0 50.000

Hlavní směry využití grantových prostředků (uvést pouze položky hlavních nákladů, nejsou-li známé, neuvádět): Nákup výpočetních techniky, laboratorního vybavení, součástkové základny a záznamových médií. 02 Další náklady (v tis. Kč)

v roce 2003

odhad v dalších letech

03 Zdůvodnění nákladů uvedených v 01: Prostředky grantu budou použity primárně za účelem vybavení laboratoře, kde je řešena problematika diagnostické ústředny. Jedná se o nákup měřících přístrojů, pájky a ostatního drobného materiálu. Budou zakoupeny potřebné součástky, senzory, záznamová média určená pro vlastní realizaci. Dále se uvažuje o nákupu výpočetní techniky nezbytné k návrhu diagnostické ústředny a tvorbě technické dokumentace. V neposlední řadě se jedná o nákup domácí i zahraniční literatury a časopisů mající vztah k řešené problematice. Drobný kancelářský materiál je určen na pokrytí nároků spojených s průběžnou tvorbou dokumentace a výzkumných zpráv. 04 Zdůvodnění nákladů v 02 (případně další i nefinanční požadavky):

Strana 11

q [Pa]

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

D

0

10 V [m/s]

30

40

50

Obr. 15: Průběh dynamického tlaku v závislosti na rychlosti a výšce

20

Závislost dynamického tlaku na rychlosti a výšce Snímač dynamického tlaku

60

q(0) q(1000) q(2000) q(3000) q(4000) q(5000)

39

40000

0

1000

3000 H [m]

4000

5000

Obr. 16: Průběh statického tlaku v závislosti na výšce

2000

Statický tlak v závislosti na výšce

6000

E

50000

60000

70000

80000

90000

100000

110000

Snímač statického tlaku

Ph [Pa]

E

40 SNÍMAČ STATICKÉHO TLAKU

F

Průběh práce na Diagnostické ústředne v roce 2003

41

G

Průběh práce na Diagnostické ústředne v roce 2004

42

G

PRŮBĚH PRÁCE NA DIAGNOSTICKÉ ÚSTŘEDNE V ROCE 2004

43

H

Fotografie draku bezpilotního prosředku

Obr. 17: Drak UAV při výrobě

Obr. 18: Skupinová fotografie z experimentu s UAV v Přerově

44

I

I

PŘÍSPĚVEK NA KONFERENCI TD 2004 – DIAGON 2004

Příspěvek na konferenci TD 2004 – DIAGON 2004

Automatizovaný systém sběru dat u bezpilotního prostředku Pavel Čeleda, Václav Křivánek Vojenská akademie v Brně, Katedra automatizovaných systémů velení a informatiky, Kounicova 65, 612 00 Brno E-mail: [email protected], [email protected] Abstrakt Návrh sběrnicové topologie u bezpilotního prostředku (systém se zvýšenou spolehlivostí). Distribuce výpočetního výkonu při řízení v reálném čase. Volba senzorického podsystému s vhodnou součástkovou základnou a vazbou na hlavní řídicí systém. Měření a sběr elektrických a neelektrických veličin pomocí inteligentních senzorů. Záznam a komprimace letových dat na paměťové médium. Využití naměřených veličin k vytvoření matematického modelu bezpilotního prostředku, autopilotu, modelu diagnostiky aj.

Úvod

a diagnostiku. Zpětné doplňování těchto vlastností do funkčního zařízení přináší vždy množRozvoj technologií v oblasti aerodyna- ství komplikací a mnohdy se ani nelze dobrat miky, mikroelektroniky, optiky a navigace na uspokojivých výsledků. konci 20. století umožnil realizaci bezpilotních prostředků (angl. UAV - Unmanned Aerial Vehicle). Jedná se o obor, kde došlo v posled- Volba koncepce ních dvaceti letech k bouřlivému rozvoji, jenž Výchozím bodem při návrhu architektury není ještě zdaleka u svého konce. libovolného systému je analýza požadavků, Bezpilotní prostředek obecně představuje které je nutné splnit, aby bylo možné nalézt oppohybující se objekt bez lidské posádky. Své timální řešení zkoumaného problému. Zde můuplatnění většinou nalézá v oblastech, kde je žeme uplatnit jednu ze dvou základních menevhodné a riskantní vystavovat pilotované tod přístupu. První metoda předpokládá exprostředky a jejich posádky nebezpečí, pro pertní znalost navrhovaného systému umožňuvelmi vysokou pravděpodobnost ztrát na lid- jící vytvoření finální koncepce již v samotném ských životech. Malé rozměry umožňují nepo- prvopočátku návrhu. Druhá metoda je založena zorovaně proniknout do střežených a riziko- na postupné realizaci klíčových prvků a vyvých oblastí a tam plnit stanovené úkoly. Pro tvoření znalostní báze umožňující nalezení cínižší výrobní a provozní náklady a absenci lid- lového řešení. V obou případech jsou kladeny ského organismu nachází stále větší uplatnění vysoké nároky na teoretické a praktické znajak v armádním tak i v civilním sektoru. losti zkoumané problematiky nutné k navržení Předkládaný příspěvek popisuje návrh kon- celkové koncepce řešení. Nedílnou součást též cepce elektronického vybavení (avioniky) pro tvoří zvládnutí fyzické realizace s dostupnou UAV. Jedná se o systém se zvýšenou spoleh- součástkovou základnou a programovým vybalivostí, neboť selhání řídicího systému může vením. ve valné většině případů vést k destrukci ceU komplexních systémů, kam zajisté spadá lého bezpilotního prostředku. Od prvopočátku i konstrukce UAV, často nelze apriori shrobylo jasné, že celý UAV bude nutné navrhovat máždit potřebnou bázi informací nutnou k pos ohledem na bezpečnost, zvýšenou spolehlivost psání chování systému (např. fyzická kon-

45

Start i přistání UAV je prováděno operátorem z pozemního stanoviště pomocí bezdrátového řízení. Vlastní let a plnění úkolu mise musí být zcela autonomní s minimální komunikací s pozemním personálem. Základní seznam požadavků kladených na řídicí systém UAV:

• distribuované řízení v reálném čase, • řídicí sběrnice se systémem priorit a garancí doručení zpráv, • vytvoření modulární struktury s pevně definovaným rozhraním, • zálohování (redundance) klíčových prvků, • limitovaná hmotnost a proudová spotřeba elektronického vybavení, • ekonomicky přĳatelná cena a dostupnost použité součástkové základny na trhu. Motorický podsystém

Inerciální navigační soustava

Pohonové elektromotory

Kompas

Řízení servopohonů

GPS

Výškoměr

Autopilot

Sběrnice řízení, CAN BUS

Senzorický podsystém

Diagnostický podsystém Řídicí podsystém Komunikační podsystém

Palubní síť

Řízení sběrnice CAN


Aplikační SW & HW

Aplikační sběrnice

strukce draku, vlastnosti pohonů, aerodynamické vlastnosti, užitečná zátěž, příkon avioniky atd.), což bylo důvodem použití druhé metody.

Obr. 1: Bloková struktura UAV

Celý bezpilotní prostředek je členěn do následujících podsystémů:

se podílejí na pohonu bezpilotního prostředku,

• senzorický – zajišťuje monitorování stavu vlastního systému, obsahuje čidla pro podporu své činnosti,

• autopilot – obsahuje prvky pro stabilizaci pohybu UAV,

• motorický – zahrnuje všechny části, které

• diagnostický – monitoruje stav UAV, hodnoty význačných provozních signálů po-

46

•

• • • •

I


rovnává s referenčními hodnotami a o výKoncepce řešení postavená na hardwarové sledku zpravuje řídicí podsystém UAV, platformě PC/104 má mimo již zmíněné výhody i jednu zásadní nevýhodu. Obecně procepalubní síť – její součástí jsou všechny sorový modul PC/104 (procesor + základní peprvky zapojené do procesu úpravy a disriferie PC) nedisponuje žádnými volnými digitribuce napájecích napětí, tálními a analogovými vstupy/výstupy. Jakékořídicí – uchovává v sobě úkol mise a podle liv měření analogových veličin vyžaduje použití další rozšiřující měřicí karty. V případě UAV něj řídí chování UAV, se jedná o distribuované měření, kdy se měřené komunikační – umožňuje obousměrnou ko- veličiny nacházejí v různých částech letounu a munikaci s pozemním stanovištěm, centralizace měření je obtížná. Naše varianta záznamník letových dat – zaznamenává počítá se zálohovanou centrální řídicí jednotkou, do které jsou zasílány předzpracované indata o průběhu letu letounu, formace po sběrnici CAN. Samotné měření je aplikační SW & HW – rozšiřující za- pak prováděno pomocí inteligentních senzorů řízení (kontejner) realizuje vlastní úkol připojených na sběrnici CAN. mise UAV.

Řídicí sběrnice pro UAV Distribuované řízení v reálném čase Základním univerzálním softwarovým nástrojem, který využíváme při realizaci řídicích úloh je operační systém (OS). Jeho vlastnosti a chování fundamentálně ovlivňují praktické možnosti výsledného řízení a do značné míry ovlivňují architekturu řídicích aplikací. Řízení UAV vyžaduje naprosto přesně determinovatelné chování operačního systému se zaručenými odezvami, které kladou vysoké nároky v oblasti rychlosti reakce na vnější podněty. Použitý operační systém musí patřit do kategorie hard-realtime OS, neboť pozdní odezva systému by mohla vést k destrukci UAV. Výběr OS je spjat s volbou vhodné hardwarové platformy schopné garantovat potřebný výpočetní výkon. V řešeném projektu jsme se rozhodli využít operační systém RTLinux (RealTime Linux) na hardwarové platformě PC/AT kompatibilní. Jedním z hlavních důvodů byla cenová dostupnost tohoto řešení v porovnání s komerčními distribucemi OS pracujících v reálném čase. Centrální řídicí jednotka je založena na architektuře PC/104 a je kompatibilní s většinou běžně dostupného programového vybavení. Výhodou je zejména možnost využít předchozích znalostí z oblasti softwaru a hardwaru PC a výrazně tak snížit čas a náklady potřebné pro vývoj. Navíc je systém mechanicky konfigurovatelný a rozšiřitelný standardními moduly typu PC/104.

Výběr optimální řídicí datové sběrnice zahrnoval analýzu v současné době používaných sběrnic pro víceprocesorové systémy. Každá z dostupných technologií má své klady a zápory, a proto může být vhodná pro jiný typ úlohy. Na základě požadovaných kritérií bylo nutné uvážit a stanovit základní množinu parametrů, kterých by měla výsledná sběrnice dosahovat. Studiem technické dokumentace jednotlivých sběrnic byla na závěr vybrána jako optimální sběrnice CAN (Controller Area Network). Vlastnosti sběrnice CAN: • sdílená sběrnice s prioritním rozhodováním o přístupu k médiu, • zaručená doba odezvy, • libovolný uzel může vyslat zprávu, • přenosová rychlost do 1 Mb/s, • detekce chyb a automatické opakování chybných zpráv, • automatické odpojení poškozených jednotek. Spolehlivost systému byla podtržena fyzickým zdvojením řídicí sběrnice CAN (hlavní a záložní). Následně došlo k vytvoření topologie a přiřazení priorit mezi jednotlivými uzly bezpilotního prostředku. Navíc bezpilotní prostředek disponuje aplikační sběrnicí určenou pro uživatelské aplikace spojené s úkoly plněných misí. Tato sběrnice se vyznačuje vysokou přenosovou rychlostí s možností připojení více uzlů

47 a podle typu aplikační úlohy se může měnit (např. Ethernet, SPI, SMB atd.). Funkčnost zvoleného řešení byla ověřena programovou simulací komunikace jednotlivých uzlů uvnitř bezpilotního prostředku. K simulaci slouží vývojové prostředí CANalyzer. Výstupem programu je simulace letu bezpilotního prostředku s možností interaktivních změn přenášených parametrů. Prostředí CANanalyzer umožňuje kombinovat reálné prvky na sběrnici CAN s virtuálními (simulovanými) uvnitř PC. Lze snadno provádět verifikaci funkce sběrnice, uměle vnášet poruchy do systému a zkoumat odezvu na ně.

firmwaru. Vhodná volba vývojových a podpůrných nástrojů šetří množství zbytečných komplikací nyní i v budoucnu. Není důvod se obávat nasazení vyšších programovacích jazyků. Sestavený kód programu v kvalitním překladači jazyka C pro JM je dnes plně srovnatelný s programem napsaným v jazyce symbolických adres.

losti pohyboval 1:32, dnešní trend však směřuje k 1:16 (1:8). Více paměti RAM umožňuje použít při vývoji software perspektivnějších vyšších programovacích jazyků. Pro aplikace, kde se předpokládá změna kódu programu, jsou vhodné JM s pamětí programu typu FLASH a rozhraním ISP popř. JTAG. V komplexnějších projektech je těžiště při samotné realizaci v oblasti návrhu a testování

V současné době je hlavním cílem nashromáždit co nejvíce dat naměřených během pilotovaného letu. Takto získané informace budou použity pro vytvoření matematického modelu chování UAV, která poslouží k návrhu autopilotu. Tato data nacházejí uplatnění i v dalších úkolech řešených v rámci projektu jako je např. vizualizace letu, provozní diagnostika, ověření funkce jednotlivých přístrojů.

Jedním z klíčových prvků při výběru JM bylo mimo dostatečného výpočetního výkonu (požadavky na výpočty v plovoucí řádové čárce) i fyzická integrace dvou řadičů CAN přímo na čipu. Naše volba padla na JM Hitachi H8S/2638, který splňuje výše uvedené požadavky. Úlohy, u kterých hraje důležitou roli Modulární struktura s pevně definova- časování (např. buzení servo motorů, přepínání řízení UAV), byly navrženy pomocí programoným rozhraním vatelných logických obvodů FPGA (Field ProZákladem celého systému UAV je cent- grammable Gate Arrays). rální řídicí jednotka založena na architektuře PC/104 ke které se přes rozšiřující kartu s CAN rozhraním připojují ostatní inteligentní senzory a podpůrné obvody. On-line záznam a komprimace dat Jádro inteligentních senzorů tvoří výkonný 16-bitový jednočipový mikropočítač (JM). VýZáznamové zařízení musí být schopno ukláběr správného JM je jedním z kritických roz- dat velké objemy dat ve standardním formátu hodnutí, která často ovlivňují úspěch či selhání tak, aby bylo možné tato data po ukončení celého projektu. Hlavním naším cílem při ná- letu jednoduše postoupit k dalšímu zpracování. vrhu inteligentních senzorů byla volba moder- Množství dat v nekomprimovaném stavu se ního JM schopného splnit požadavky kladené předpokládá v řádech desítek až stovek megasoučasným trendem v oblasti vývoje zabudo- bajtů. Objem ukládaných dat se redukuje pouvaných (angl. embedded) zařízení. žitím bezztrátové komprimace. Existuje někoStále více inteligentních periferií je integro- lik typů médií, která jsou schopná pojmout zísváno přímo na čipu. Tato skutečnost se posi- kaná data. Pro naše účely jsme zvolili záznativně projevuje do nárůstu spolehlivosti (tes- movou kartu typu COMPACT FLASH sloutování již během výroby, snížení počtu exter- žící zároveň jako paměť systému souborů pro ních periferií) a komfortu při ovládání (dediko- řídicí jednotku. Tato koncepce garantuje možvané instrukce procesoru). Vyloučení externích nost ukládání dat do několika souborů současně prvků sebou přináší i snížení požadavků na ve- a po skončení letu vysokorychlostní přenos dat likost desky plošných spojů a příkon celého za- do PC. Zvolené řešení ušetřilo řadu problému v porovnání s vývojem proprietárního záznařízení. Poměr pamětí RAM ku FLASH se v minu- mového zařízení.

48

I


Fyzická realizace první generace UAV Drak malého bezpilotního prostředku je koncipovaný jako model letadla v hornoplošním uspořádání o hmotnosti 12 kg, délce 2,18 m a rozpětí 2,8 m. Hornoplošní uspořádání

bylo zvoleno z důvodu autostabilizace letounu. Pohon zabezpečuje benzínový spalovací motor a napájení elektrických systémů akumulátory. Užitečná zátěž je přibližně 2 – 3 kg. V současné době je dokončována druhá generace draku letounu v provedení delta.

Obr. 2: Fotografie draku bezpilotního prostředku

Závěr

ních podmínkách na modelu rádiem řízeného automobilu. Na léto 2004 jsou plánovány první U systémů se zvýšenou spolehlivostí je pilotované lety s avionikou, které mají v praxi nutné brát od prvopočátku zřetel na zvo- ověřit vhodnost zvolené koncepce. lení vhodné koncepce řešení. Dlouhá životnost těchto systémů klade nároky na otevřenost a modulárnost. Celý systém lze přirovnat k ži- Literatura vému organismu, který se během doby přetváří [1] Bureš, Z.; Čeleda, P.; Hrdlička, I.; Křia je schopen se adaptovat novým poznatkům vánek, V.; Mořkovský, T. Diagnostická a technologiím. Příspěvek popisuje koncepci a ústředna – automatizovaný systém sběru problémy spojené s návrhem avioniky bezpidat u bezpilotního prostředku. Výroční lotního prostředku. Návrh a konstrukce UAV zpráva o řešení projektu VGA, Vojenská je mezioborovou záležitostí, kde nachází své akademie v Brně, 2003. uplatnění celá řada odborníků. V rámci vývoje avioniky byly ukončeny dílčí úkoly a dochází [2] Kopetz, H. Real-Time Systems: Design k postupné agregaci jednotlivých bloků a zaPrinciples for Distributed Embedded Apbudování do draku UAV. Funkčnost jednotliplications. Kluwer Academic Publishers, vých prvků je zpočátku ověřována v laborator2004. ISBN 0–7923–9894–7.

49

Václav Křivánek a kolektiv Závěrečná zpráva o řešení projektu VGA – Diagnostická ústředna automatizovaný systém sběru dat u bezpilotního prostředku Grafická úprava a sazba Pavel Čeleda, Václav Křivánek Univerzita obrany, Kounicova 65, 612 00 Brno. www: http://www.unob.cz e-mail: [email protected] Sazba programem LATEX 2ε . Neprošlo jazykovou úpravou. V Brně 2004, počet stran 58.

ZÁVĚREČNÁ ZPRÁVA O ŘEŠENÍ PROJEKTU VGA

Recommend Documents